ES2315130B1 - Dispositivo para la estimacion de fuerzas y pares de contacto en robots manipuladores industriales y procedimiento de implementacion del mismo. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para la estimación de fuerzas y
pares de contacto en robots manipuladores industriales y
procedimiento de implementación del mismo.
A partir de la estructuración convencional en la
que al robot (1) manipulador se le establece un sensor de
fuerza/par (2) situado sobre su muñeca (3), el dispositivo de la
invención centra sus características en el hecho de que
conjuntamente con dicho sensor participan un sensor inercial (6) así
como una serie de sensores de posición (7) de las articulaciones
del brazo del robot, de manera que los parámetros registrados por
los diferentes sensores son interpretados a través del
correspondiente software, utilizando técnicas de fusión sensorial.
De forma más concreta, las medidas de posición de las
articulaciones son convertidas a medidas de posición y orientación
de la herramienta en el espacio cartesiano, tras lo que se procede
al auto-calibrado del robot, a la posterior
transformación de las medidas de los sensores al sistema de
referencia adecuado, diseñando seguidamente la ganancia del
observador utilizando técnicas de diseño para resolver tanto el
modelo identificado como el de la herramienta, compararlos y
obtener una estimación de las fuerzas y pares de contacto.
Description
Dispositivo para la estimación de fuerzas y
pares de contacto en robots manipuladores industriales y
procedimiento de implementación del mismo.
La presente invención se refiere a un
dispositivo que ha sido especialmente concebido para realizar la
medición de fuerzas y pares de contacto ejercidas por un robot
manipulador a su entorno en las tres dimensiones del espacio.
El objeto de la invención es proporcionar un
dispositivo de medida fiable, que permita optimizar el rendimiento
del robot al que está asociado, de manera que los valores de fuerza
y par tomados no se vean distorsionados por las fuerzas y pares
inerciales debidos a las características propias del robot.
La invención se refiere asimismo al
procedimiento de implementación del dispositivo.
La invención se sitúa pues en el ámbito de la
robótica industrial.
En el campo de aplicación de la invención, es
necesario que los robots interaccionen con su entorno, en múltiples
operaciones, tales como puede ser el pulido de una superficie, el
desbarbado de otra, test de fatigas, etc. En este tipo de procesos
es necesario que el robot controle la fuerza y los pares de
contacto que se ejercen sobre la superficie de contacto.
Para ello, se coloca normalmente un único sensor
de fuerza/par en la muñeca del robot manipulador. Sin embargo, la
utilización únicamente de sensores de fuerza/par para controlar
esta interacción presenta una serie de problemas, entre los que
cabe destacar la aparición de perturbaciones producidas por las
fuerzas y pares de inercia debidos a las propiedades dinámicas
propias de la herramienta.
Obviamente, este inconveniente implica un
decremento en el rendimiento de la ejecución de la tarea, en tiempo
y calidad de ejecución.
El dispositivo para la estimación de fuerzas y
pares de contacto en robots manipuladores industriales que la
invención propone resuelve de forma plenamente satisfactoria la
problemática anteriormente expuesta, permitiendo estimar de forma
precisa los valores de fuerza y par reales ejercidos sobre la
superficie de interacción del robot. Este dispositivo permite
discriminar de las medidas de fuerza y par las perturbaciones
producidas por la dinámica del robot o herramienta de que se trate
(i.e. fuerzas y pares de inercia).
Para ello, y a partir de la estructuración
convencional en la que al robot manipulador se le establece un
sensor de fuerza/par situado sobre su muñeca, el dispositivo de la
invención centra sus características en el hecho de que
conjuntamente con dicho sensor participan un sensor inercial así
como una serie de sensores de posición de las articulaciones del
brazo del robot.
El sensor inercial mide las aceleraciones
lineales y las velocidades o aceleraciones angulares de la
herramienta, mientras que los sensores de posición permiten estimar
la posición concreta de la herramienta.
De ésta forma, los parámetros registrados por
los diferentes sensores son interpretados a través del
correspondiente software, utilizando técnicas de fusión sensorial,
para obtener una estimación de la fuerza de contacto real ejercida
por el robot manipulador a su entorno.
De forma más concreta, el procedimiento de
implementación del dispositivo de la invención comprende las
siguientes fases operativas:
- -
- Colocación de los sensores de fuerza/par.
- -
- Colocación de los sensores inerciales.
- -
- Conversión de las medidas tomadas por los sensores de posición de las articulaciones al espacio cartesiano.
- -
- Auto-calibración del dispositivo respecto del brazo de robot en el que está implantado.
- -
- Transformación de las medidas de los sensores a un sistema de referencia adecuado.
- -
- Resolución del modelo que define la dinámica de la herramienta
- -
- Construcción de un observador y diseño de su ganancia.
- -
- Comparación de ambos sistemas: modelo y observador, y obtención de la estimación de las fuerzas y pares de contacto.
\vskip1.000000\baselineskip
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo de
realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante
de dicha descripción, una hoja única de planos en la que con
carácter ilustrativo y no limitativo y en su única figura, se ha
representado de forma esquemática y en alzado lateral los distintos
elementos que participan en el dispositivo para la estimación de
fuerzas y pares de contacto realizado de acuerdo con el objeto de
la invención.
A la vista de la figura reseñada puede
observarse como en el dispositivo para la estimación de fuerzas que
se preconiza, aplicable a cualquier tipo de robot industrial
manipulador (1), participa un sensor de fuerza/par (2) que se
establece entre la muñeca (3) del brazo (4) del robot manipulador
(1) y la herramienta (5) de que se trate, en el que se establece un
sistema de referencia (O_{F}X_{F}Y_{F}Z_{F}), así como un
sensor inercial, (6) en el que se establece un sistema de
referencia (O_{A}X_{A}Y_{A}Z_{A}), dotado de sensores
inerciales lineales así como angulares, que registran tanto las
aceleraciones lineales como las velocidades o aceleraciones
angulares, que puede estar instalado indistintamente sobre la
muñeca (3) del robot (1), o sobre la herramienta de trabajo (5),
tal como muestra la figura.
La estructura anteriormente descrita se
complementa con una serie de sensores de posición (7), cuyo número
variará en función de la arquitectura del brazo robot,
concretamente del número de articulaciones del mismo, y a través de
los cuales, a partir del modelo cinemático o dinámico del brazo del
robot permiten determinar la posición de la herramienta, así como de
los dos sistemas de referencia (O_{F}X_{F}Y_{F}Z_{F}) y
(O_{A}X_{A}Y_{A}Z_{A}), respecto a un sistema de referencia
(O_{W}X_{W}Y_{W}Z_{W}) estático.
Tal y como se ha mencionado anteriormente, las
distintas medidas registradas por los distintos sensores son
tratadas mediante un determinado software, que incluye técnicas de
fusión sensorial, en las que se diseña un estimador formado por el
modelo dinámico completo de la herramienta (5) definido a partir de
las ecuaciones de Newton-Euler y cuyas entradas son
las medidas de los sensores numerados anteriormente, salvo en el
caso de los sensores articulares de posición, que son transformadas
al espacio cartesiano a través del modelo cinemática/dinámico
correspondiente. También se considera como entrada las fuerzas y
pares de contacto.
Igualmente el estimador incluye un observador de
estado para el modelo anterior, con la salvedad de que este segundo
sistema no tiene en cuenta las fuerzas y pares de contacto,
teniendo un comportamiento definido a través de una serie de
parámetros de configuración del estimador.
A través del citado software se compara la
dinámica del modelo del sistema con la dinámica del observador
obteniéndose una estimación de las fuerzas y pares de contacto con
una respuesta adecuada.
Para modelar correctamente la dinámica del
estimador se utilizan distintas técnicas de diseño tales como el
filtro Kalman o por ubicación de polos. En cuanto a las ganancias
de los sensores, offsets, ganancias del observador, masas,
inercias, y demás parámetros configurables, el aparato cuenta con un
procedimiento de auto-calibración en el que, tras
aplicar una serie de movimientos predefinidos, éstos parámetros son
identificados.
De acuerdo con lo anteriormente expuesto, el
procedimiento de implementación del dispositivo sería el
siguiente:
En primer lugar se procede a la colocación de un
sensor (2) de fuerza/par de seis grados de libertad entre la muñeca
(3) del robot manipulador (1) y la herramienta (5) de éste.
Seguidamente se procede a la colocación de uno o
varios sensores inerciales (6), hasta completar los seis grados de
libertad, sobre la herramienta del robot (1) que permitan medir
tanto la aceleración lineal, como la aceleración o velocidad
angular.
Opcionalmente el sensor de fuerza/par puede
incorporar un sensor inercial, de manera que los dos pasos
anteriores queden agrupados en uno.
Las medidas de posición de las articulaciones
tomadas por los sensores se convierten a las medidas de posición y
orientación de la herramienta en el espacio cartesiano.
A continuación se procede a la auto calibración
que consiste en la aplicación, por parte del robot manipulador (1),
de unos movimientos predefinidos donde la herramienta se orienta de
distinta forma con respecto al campo gravitacional y donde además
se aplican una serie de aceleraciones conocidas. Este procedimiento
permite identificar los parámetros de configuración de los sensores
excepto para el sensor de fuerza y par que ya viene calibrado de
fábrica y se utiliza como sensor de referencia. Mediante este
proceso se puede obtener también la masa y las inercias de la
herramienta.
Posteriormente se procede a transformar las
medidas de los sensores al sistema de referencia adecuado
utilizando las matrices de transformación homogéneas que definen la
relación entre los distintos sistemas de referencia.
A continuación se procede a diseñar la ganancia
del observador utilizando técnicas de diseño como el filtro de
Kalman o por ubicación de polos.
Seguidamente se procede a resolver, tanto el
modelo identificado de la herramienta como el observador propuesto,
donde en ambos casos las entradas son las medidas de los
sensores.
Finalmente se comparan ambos sistemas (restan),
el modelo identificado y el observador, obteniéndose una estimación
precisa y real de las fuerzas y pares de contacto.
Claims (3)
1. Dispositivo para la estimación de fuerzas y
pares de contacto en robots manipuladores industriales, que siendo
del tipo de los que están destinados a implantarse sobre el brazo
articulado de un robot manipulador (1), y que comprenden al menos
un sensor de fuerza/par (2) establecido en la en la muñeca (3) del
citado robot manipulador, caracterizado porque junto con el
citado sensor de fuerza/par (2) participan sensores inerciales, (6)
tanto lineales como angulares, así como sensores de posición (7)
del robot (1), incorporando un software de programación específico
con técnicas de fusión sensorial para la obtención una estimación
de la fuerza de contacto real ejercida por el robot manipulador a
su entorno en función de los parámetros obtenidos de los diferentes
sensores (2-6-7).
2. Dispositivo para la estimación de fuerzas y
pares de contacto en robots manipuladores industriales, según
reivindicación 1ª, caracterizado porque los sensores
inerciales (6) se establecen indistintamente sobre la muñeca (5)
del robot (1) o sobre la herramienta (5) del mismo.
3. Procedimiento de implementación del
dispositivo de la reivindicación 1ª y 2ª, caracterizado
porque comprende las siguientes fases operativas:
- -
- Implantación de un sensor (2) de fuerza/par de seis grados de libertad entre la muñeca (3) del robot manipulador (1) y la herramienta (5) de éste.
- -
- Implantación de uno o varios sensores inerciales (6), hasta completar los seis grados de libertad, sobre la herramienta del robot (1) medidores de la aceleración lineal y la aceleración o velocidad angular.
- -
- Conversión de las medidas de posición de las articulaciones tomadas por los sensores a las medidas de posición y orientación de la herramienta en el espacio cartesiano.
- -
- Autocalibración del dispositivo mediante la aplicación, por parte del robot manipulador (1), de unos movimientos predefinidos donde la herramienta se orienta de distinta forma con respecto al campo gravitacional y donde además se aplican serie de aceleraciones conocidas.
- -
- Transformación de las medidas de los sensores al sistema de referencia adecuado utilizando las matrices de transformación homogéneas.
- -
- Diseño de la ganancia del observador a partir técnicas de diseño tales como el filtro de Kalman o por ubicación de polos.
- -
- Resolución, tanto el modelo identificado de la herramienta como el observador propuesto.
- -
- Comparación de ambos modelos; el modelo identificado y el observador, y obtención de las fuerzas y pares de contacto.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200602797A ES2315130B1 (es) | 2006-11-03 | 2006-11-03 | Dispositivo para la estimacion de fuerzas y pares de contacto en robots manipuladores industriales y procedimiento de implementacion del mismo. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200602797A ES2315130B1 (es) | 2006-11-03 | 2006-11-03 | Dispositivo para la estimacion de fuerzas y pares de contacto en robots manipuladores industriales y procedimiento de implementacion del mismo. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2315130A1 ES2315130A1 (es) | 2009-03-16 |
| ES2315130B1 true ES2315130B1 (es) | 2010-02-03 |
Family
ID=40410130
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200602797A Active ES2315130B1 (es) | 2006-11-03 | 2006-11-03 | Dispositivo para la estimacion de fuerzas y pares de contacto en robots manipuladores industriales y procedimiento de implementacion del mismo. |
Country Status (1)
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-
2006
- 2006-11-03 ES ES200602797A patent/ES2315130B1/es active Active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| GÁMEZ GARCÍA, J. et al. "{}Automatic Calibration Procedure for a Robotic Manipulator Force Observer,"{} Robotics and Automation, 2005. ICRA 2005. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on, pp. 2703-2708, 18-22 abril 2005. * |
| GÁMEZ GARCÍA, J. et al. "{}Force and Acceleration Sensor Fusion for Compliant Robot Motion Control,"{} Robotics and Automation, 2005. ICRA 2005. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on, pp. 2709-2714, 18-22 abril 2005. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2315130A1 (es) | 2009-03-16 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20090316 Kind code of ref document: A1 |
|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2315130B1 Country of ref document: ES |