RO123527B1 - Metodă şi dispozitiv de control în timp real al roboţilor prin proiecţie virtuală - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o metodă şi la un dispozitiv pentru controlul, în timp real, cu arhitectura deschisă, al unui robot, cu aplicaţii în realizarea unui sistem de control pentru un nano/micro/ macromanipulator. Metoda conform invenţiei constă în realizarea proiecţiei virtuale a structurii mecanice, determinată matematic, pe un terminal grafic al unui computer (), printr-o interfaţă de control virtual () a computerului, care permite modelarea matematică pentru reprezentarea grafică a structurii mecanice, şi constă în reprezentarea grafică a traiectoriei de mişcare, reale şi de referinţă, pe fiecare axă a elementelor componente şi a forţelor, reale şi de referinţă, din articulaţiile unei structuri mecanice, reprezentare obţinută prin prelucrarea datelor generate de nişte traductoare de poziţie şi de forţă, şi a semnalelor de referinţă a poziţiei () şi de forţă () pentru sistemul de control, cu generarea de bază/baze de date pentru memorarea eşantionată a semnalelor de intrare, care să permită vizualizarea, în timp real sau în play-back, cu viteza modificată, a detaliilor mişcării structurii mecanice, şi dezvoltarea unui sistem de control cu arhitectura deschisă (). Dispozitivul conform invenţiei este alcătuit dintr-un modul de interfaţă de control virtual (), un modul terminal grafic al unui computer (), un numărde module traductoare de măsură (), un numărde module servoactuatoare (), un numărde module actuatoare de sarcină (), cuplate la servoactuatoare (), care primesc semnale de control de la un controlor de sarcină (), un modul controlor de sarcină (), un modul interfaţă de control multifuncţional (), care generează

Description

Invenția se referă la o metodă și la un dispozitiv de control în timp real, cu arhitectură deschisă, al roboților, destinat îmbunătățirii performanțelor de control, cu aplicații în realizarea de sisteme de control pentru nano/micro/macro manipulatoare și roboți.

Pentru îmbunătățirea performanțelorîn controlul, în timp real, al roboților, sunt cunoscute mai multe metode și soluții tehnice, numite generic instrumentație virtuală (VI), CAD (Computer-Aided Desing), CAM (Computer Aided Manufacturing), CAE (Computer-Aided Engineering) etc., prin care se realizează un model matematic al sistemului de control, și prin simulare, pe un computer cu putere de calcul ridicată și numeroase funcții matematice, se testează virtual funcționarea sistemului de control.

Modelările matematice cu proiecțiile geometrice în 3D, dezvoltate în sisteme CAD, pot sta la baza realizării altor funcții în CAE și CAM care să conducă la analize structurale, analize de asamblare, controlul interfețelor, analize cinematice. Aceste analize cu modele virtuale în 3D pot conduce la studii și simulări ale produselor în diferite condiții de funcționare, cu posibilitatea redefinirii și optimizării proiectării, fără a avea produsul sau sistemul de control fizic realizat.

Un exemplu de proiectare, utilizând realitatea virtuală, este prezentat în articolul Virtual assembly using virtual reality techniques, Computer-AidedDesign, Volume 29, Issue 8, August 1997, pp. 575-584, Sankar Jayaram, Hugh I Connacher, Kevin WLyons. Realitatea virtuală este definită ca utilizarea unui mediu virtual, generat de calculator și hardul asociat, pentru a furniza iluzia unei prezențe fizice în acel mediu. Realitatea virtuală reprezintă o tehnologie raportată la o extensie naturală a graficii computerizate 3D, cu dispozitive de intrări și ieșiri avansate, pentru realizarea de prototipuri a unor produse, conducând la noi dezvoltări în domeniul ingineriei asistate de calculator (CAD). Proiectarea într-un mediu virtual presupune utilizarea unor componente soft (computer tools), pentru a realiza sau asista deciziile inginerești raportate la proiectare prin analiză, modele predictibile, vizualizare și prezentare de date, fără prezența fizică a produsului, sistemului de control sau procesului.

O altă lucrare Application of Virtual Assembly Tools for Improving Product, A. C. K. Choi, D. S. K. Chan, M. F. Yuen, The Internațional Journal of Advanced Manufacturing Technology, Issue: Volume 19, Number 5/March. 2002 , Friday, March 15, 2002, pp. 377-383, ISSN 0268-3768, DOI: 10.1007/s00 1700200027, prezintă metoda DYNAMO, de proiectare și investigare într-un mediu virtual, utilizând componente de modelare a corpurilor tridimensionale în SolidWorks.'99, cu fișiere de tip ROBFACE și ROBCAD.

Aceste metode permit accesul la proiectarea și realizarea a numeroase procese și dispozitive industriale: roboți, manipulatoare, mașini unelte, dispozitive de asamblare, linii de transfer, având drept caracteristică principală dezvoltarea întregii aplicații într-un mediu virtual, a produsului, procesului și sistemului de comandă, modelate matematic prin diferite funcții de control.

Dezavantajele acestor metode și soluții tehnice constă, în principal, în faptul că modelele matematice de control al roboților sunt proiectate, testate și experimentate utilizând modele matematice virtuale ale structurii mecanice a robotului și ale sistemului de control, care conțin numai anumiți parametri ai acestora, în cele mai multe cazuri, fără a se ține cont de corelația între aceștia și influența altor semnale de intrare sau semnale perturbatoare, care apar în sistemul real de control, ceea ce vor conduce la reducerea drastică a performanțelor după implementarea în sistemul de control real.

Problema pe care o rezolvă invenția constă în aceea că permite proiectarea, testarea și experimentarea metodelor de control pe un sistem de control real, cu funcționare on-line, în absența structurii mecanice, prin proiecție virtuală, permițând astfel îmbunătățirea performanțelor sistemelor de control al roboților, deja realizate fizic.

RO 123527 Β1

Metoda conform invenției înlătură dezavantajele de mai sus, prin aceea că, în scopul 1 îmbunătățirii, performanțele în controlul nano/micro/macro manipulatoarelor și roboților, în absența structurii mecanice, se asigură proiectarea, testarea și experimentarea metodelor 3 de control pe un sistem de control mecatronic, clasic (existent), fără a fi necesară modificarea structurii hardware a acestuia, prin parcurgerea următoarelor faze, în dezvoltarea res- 5 pectivului sistem de control:

i. se realizează proiecția virtuală a structurii mecanice, determinată matematic, pe 7 terminalul grafic al unui computer, printr-o interfață de control virtual a computerului, care permite modelarea matematică, pentru reprezentarea grafică a structurii mecanice, și care 9 constă în reprezentarea grafică atât a traiectoriei de mișcare, reale și de referință, pe fiecare axă a elementelor componente, cât și a forțelor, reale și de referință, din articulațiile structurii 11 mecanice, reprezentare obținută prin: 1. prelucrarea datelor generate de traductoarele de măsură, poziție și forță, cuplate pe actuatoarele robotului, și 2. a semnalelor de referință a 13 poziției și forței, pentru sistemul de control robot;

ii. se generează o bază (baze) de date, pentru memorarea eșantionată a semnalelor 15 de intrare, care să permită vizualizarea, în timp real sau în reluare (play-back), cu viteză modificată, a detaliilor mișcării structurii mecanice; 17 iii. dezvoltarea unui sistem de control cu arhitectură deschisă, compus din sistemul de control clasic al robotului, în care generarea traiectoriei de mișcare și a forțelor se face 19 prin metode clasice de control, cum arfi metoda Denevit-Hartenberg și/sau metoda teach-in, la care se adaugă o interfață de control hibrid poziție - forță; 21 iv. dezvoltarea sistemului de control cu arhitectură deschisă, prin adăugarea unei interfețe cu funcții de urmărire a unui contur; 23

v. dezvoltarea sistemului de control cu arhitectură deschisă, prin adăugarea unei interfețe cu tipul de mers al robotului, cum ar fi mersul tripod la un robot pășitor; 25 vi. dezvoltarea sistemului de control cu arhitectură deschisă, prin adăugarea altor interfețe cu metode de control, cum ar fi controlul centrului de greutate, orientarea prin 27 prelucrări de imagini;

vii. generarea referințelor de poziție și forță la sistemul de control clasic al robotului, 29 prin schimb de date între interfețele prezentate în secvențele iii - vi, pe baza unor modelări matematice, cum ar fi metoda inferenței datelor, metoda fuzzy; 31 viii. funcționarea fără sarcină a servoactuatoarelor robotului, care corespunde deplasării unui robot în stare de imponderabilitate, și repetarea secvențelor ii - vii, până ce 33 performanțele în controlul robotului, respectiv, erorile între mișcările de referință și mișcările rezultate prin proiecție virtuală, intră în gama de erori dorită; 35 ix. funcționarea cu sarcină constantă a servoactuatoarelor robotului, comandat de un modul controler de sarcină, și repetarea secvențelor ii - vii, până ce performanțele în 37 controlul robotului, respectiv, erorile între mișcările de referință și mișcările rezultate prin proiecție virtuală, intră în gama de erori dorită; 39

x. funcționarea cu sarcină variabilă a servoactuatoarelor robotului, care corespunde unei deplasări reale a unui robot, cu fluctuații de sarcină datorate mediului înconjurător, 41 comandat de modulul controler de sarcină, prin procesarea semnalelor X_R cu valori variabile, generate, pe baza unor măsurători anterioare, de modulul de control multifuncțional, în 43 corelație cu referințele de poziție X_R și forța X_R , cu repetarea secvențelor ii - vii, până ce performanțele în controlul robotului, respectiv, erorile între mișcările de referință și 45 mișcările rezultate prin proiecție virtuală, intră în gama de erori dorită.

RO 123527 Β1

Dispozitivul conform invenției înlătură dezavantajele menționate, prin aceea că este alcătuit dintr-un modul de interfață de control virtual, care are m intrări, semnalele de poziție și forță, primite de la m module traductoare de măsură ale actuatoarelor și două semnalele de referință, poziție și forță, primite de la modulul de interfață control multifuncțional, cu rolul de a realiza proiecția virtuală a structurii mecanice pe terminalul grafic de computer și generarea de bază (baze) de date, pentru memorarea eșantionată a semnalelor de intrare, unde m reprezintă gradele de libertate ale robotului, un modul terminal grafic de computer primește informațiile de poziție și forță de la modulul de interfață de control virtual și, printr-un program soft, asigură reprezentarea grafică în spațiul de mișcare al robotului, cu rolul de analiză a mișcării structurii mecanice și reglare a parametrilor de control al sistemului de control mecatronic clasic, un număr de m module traductoare de măsură transformă pozițiile, pe cele m grade de libertate și forțele în cele m articulații ale robotului, în semnale de măsură, și le transmite la modulul de interfață control virtual, un sistem de control mecatronic clasic primește semnalele de referință, poziție și forță, de la modulul de interfață control multifuncțional, m semnale de poziții actuale ale structurii mecanice și m semnale, ale forțelor actuale, în articulațiile structurii mecanice, și transmite m semnale de control al celor m module servoactuatoare, cu rolul de a asigura controlul în timp real al robotului, un număr de m module servoactuatoare, cu rolul de a asigura acționarea structurii mecanice a robotului în faza de implementare, care primesc semnale de control de la sistemul de control mecatronic clasic, pe care sunt cuplate cele m module traductoare de măsură, și care sunt cuplate rigid de m actuatoare de sarcină, un număr de m module actuatoare de sarcină, cuplate rigid cu cele m module servoactuatoare, care primesc semnale de control de la un modul controler de sarcină, cu rolul de a asigura funcționarea în sarcină a celor m module servoactuatoare, un modul controler de sarcină care primește referința de poziție și forță, precum și un semnal de referință pentru generarea sarcini-modulelor servoactuatoare, de la interfața de control multifuncțional, cu rolul de a asigura controlul în timp real și funcționarea în sarcină al celor m module actuatoare de sarcină, un modul interfață de control multifuncțional, care generează referințele de poziție și forță la sistemul de control mecatronic clasic, asigură controlul în timp real, controlul priorităților și gestionarea schimbului de informații între un număr de n interfețe de control funcții, conectate între ele printr-o magistrală de date, cu viteză ridicată de comunicație, la care se adaugă comunicația cu sistemul de control mecatronic clasic, cu rolul de a asigura, prin interfețele de control, funcții ICF, implementarea diferitelor metode de control suplimentare, față de cele asigurate de sistemul de control mecatronic clasic, pe baza unor modelări matematice, cum ar fi metoda inferenței datelor, metoda fuzzy, asigurând o arhitectură deschisă în controlul robotului, un număr de n interfețe de control, funcții care asigură dezvoltarea unui sistem de control cu arhitectură deschisă, prin adăugarea unui număr de n funcții de control suplimentare față de cele asigurate de sistemul de control mecatronic clasic, comunică între ele, împreună cu modulul de interfață control multifuncțional, printr-o magistrală de date cu viteză ridicată de comunicație, cu rolul de a permite implementarea a diferite metode de control, cum ar fi controlul hibrid forță-poziție, funcții de urmărire a unui contur, mersul tripod al unui robot pășitor, respectiv, alte metode de control, cum ar fi controlul centrului de greutate, orientarea prin prelucrări de imagini.

Invenția prezintă avantajul că permite proiectarea, testarea și experimentarea metodelor de control, pe un sistem de control real, al nano/micro/macro manipulatoarelor și roboților, în absența structurii mecanice, cu posibilitatea îmbunătățirii performanțelor, prin proiecția virtuală și analiza mișcării, permițând, în plus, dezvoltarea de noi metode de control, cum ar fi controlul hibrid forță-poziție, funcții de urmărire a unui contur, mersul tripod al unui

RO 123527 Β1 robot pășitor, controlul compliant, controlul centrului de greutate, orientarea prin prelucrări 1 de imagini și alte funcții, fără a fi necesară modificarea structurii hardware a sistemului de control mecatronic clasic. 3

Invenția permite dezvoltarea de noi sisteme de control nano/micro/macro manipulatoarelor și roboților, cu performanțe mult mai bune, la un preț de cost scăzut și du- 5 rată de proiectare, realizare, semnificativ redusă. în plus, oferă, inginerilor și proiectanților, posibilitatea de a proiecta cu mult mai multe detalii și rezoluție crescută, a unor părți de corn- 7 plexitate ridicată ale nano/micro/macro manipulatoarelor, roboților, și disponibilitate pentru putere de procesare computațională, reprezentare grafică, interfațare metode, modelare 9 matematică, vizualizare la niveluri mult superioare.

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu figurile: 11

- fig. 1, care prezintă o schemă de principiu a dispozitivului;

- fig. 2, care reprezintă un exemplu de proiecție virtuală a unui robot pășitor hexapod. 13 Metoda și dispozitivul conform invenției sunt alcătuite dintr-un modul de interfață de control virtual ICV, care are: 1. m intrări, semnalele de poziție X? și forța Xf , primite de 15 la m module traductoare de măsură TM, unde m reprezintă gradele de libertate ale robotului,

2. semnalele de referință poziție X^ și forța X^ , primite de la modulul de interfață control 17 multifuncțional ICMF, cu rolul de a realiza proiecția virtuală a structurii mecanice pe terminalul grafic de computer TGC și generarea de bază (baze) de date, pentru memorarea 19 eșantionată a semnalelor de intrare. Un modul terminal grafic de computer TGC primește informațiile de poziție Xf și forță de la modulul de interfață de control virtual ICV și, 21 printr-un program soft, asigură reprezentarea grafică, în spațiul de mișcare al robotului, cu rolul de analiză a mișcării structurii mecanice și de reglare a parametrilor de control al 23 sistemului de control mecatronic clasic SCMC.

Un exemplu de proiecție virtuală este prezentat în fig. 2, în care se calculează, 25 pornind de la unghiurile și dimensiunile segmentelor și ținând cont de starea punctului de sprijin, coordonatele capetelor fiecărui segment al robotului, cu reprezentare grafică, în 27 sistemul de coordonate tridimensionale. Aplicația permite: reprezentarea modelului robotului pășitor într-un sistem de axe tridimensional, cu opțiuni de rotire a camerei virtuale, care 29 privește robotul într-un anumit punct, în jurul acestui punct și, respectiv, de apropiere sau depărtare a camerei de acel punct; controlul manual și automat al robotului pe fiecare axă 31 de mișcare, precum și log-ării mișcărilor acestuia, posibilitatea generării traiectoriei de mișcare, prin încărcarea unui fișier de tip Excel; generarea cu întârziere a mișcării robotului 33 între două seturi de date succesive, ceea ce permite o mult mai bună analiză a detaliilor mișcării picioarelor sau platformei robotului; Aplicația prezentată este dezvoltată în limbajul 35 C, în mediul de dezvoltare Microsoft Visual Studio și folosește bibliotecile de clase DirectX. Modul de lansare în execuție este fie prin pictograma de pe desktop, fie accesând meniul 37 Start-Programs. în final, programul permite salvarea în format Excel a coordonatelelor x, y și z, ale vârfurilor fiecărui picior, precum și a coordonatelelor x, y și z, ale platformei. 39

Un număr de m module traductoare de măsură TM transformă pozițiile X^ pe cele m grade de libertate și forțele Xf în cele m articulații ale robotului în semnale de măsură 41 și le transmite la modulul de interfață control virtual ICV. Un sistem de control mecatronic clasic SCMC primește semnalele de referință poziție X¹^ și forță Χ'_η de la modulul de 43

RO 123527 Β1 interfață control multifuncțional ICMF, m semnale de poziții actuale Xf ale structurii mecanice și m semnale ale forțelor actuale X^F , în articulațiile structurii mecanice, și transmite m semnale de control al celor m module servoactuatoare MS, cu rolul de a asigura controlul, în timp real, al robotului.

Un exemplu de sistem de control mecatronic clasic SCMC, care demonstrează complexitatea procesului de control al roboților și capabilitatea tehnologica de realizare a modului, este prezentat în continuare. Acesta permite controlul poziției, prin metoda Denevit-Hartenberg, utilizând transformările cinematice. Pentru realizarea controlului unui robot, se definesc două sisteme de coordonate principale: coordonatele Carteziene și coordonatele robot. Coordonatele robot reprezintă unghiul între axa de referință pentru fiecare grad de libertate și extensia axei, și sunt generate de traductoarele de măsură TM1-TMm. Acestea formează coordonatele în care robotul se mișcă cu acționare directă de la servoactuatoarele MS1-MSm, ale robotului. Poziția și orientarea fiecărui segment, raportată la structura axelor robotului, se pot descrie prin transformata Denevit - Hartenber. Pentru determinarea matricei transformărilor, se presupune că axa z, în fiecare cadru (respectiv, suprafața de mișcare a robotului raportată la axa proprie), este axa de rotație.

Conceptual, controlul folosind cinematica directă constă în transformarea coordonatelor robot actuale, rezultate direct de la traductoarele de măsură a fiecărei axe TM1-TMm, la coordonate Carteziene și compararea cu ținta dorită Xj a fi atinsă în coordonate Carteziene (referința de mișcare). Folosind matricea inversă Jacobiană, se asigură transformarea, din coordonatele Carteziene în coordonate robot, a erorii de poziție, ceea ce permite generarea erorilor unghiulare, pentru controlul direct al servoactuatoarelor MS1-MSm, pe fiecare axă de mișcare. Pentru modelarea matematică, poziția și orientarea elementului final de acțiune a unui robot cu șase grade de libertate, raportate la coordonatele corespunzătoare axelor de mișcare, sunt date de o matrice în coordonate Carteziene X_c, prin relația:

Υ=Δ*Δ*Δ* * Δ z\_c >“V-| .....

unde Α_υ A₂, A₃.... A₆ reprezintă matricea transformatei Denevit-Hartenberg, care asigură transformarea unui punct din spațiul robot din coordonatele Carteziene curente în coordonate Carteziene ale axei următoare. Eroarea de poziție în coordonate Carteziene este obținută ca diferența intre poziția de referința X_R (dorita), generata de modulul de interfața control multifuncțional ICMF și poziția curentă X? , X? , ..., X? . Dificultatea în controlul traiectoriei robotului constă în aceea că pozițiile generate X_c și eroarea de poziție δΧ se dau în coordonate Carteziene, în timp ce măsurarea continuă a poziției robotului θ_{12 6} Și eroarea unghiulară de comandă a actuatorului δθ_{12 6} trebuie date în coordonate robot. Relația între poziția și orientarea elementului efector al robotului, generată în coordonate Carteziene și unghiurile axelor în coordonate robot 0^02, ... θ₆ este:

Xi = ή (θ), unde θ este vectorul care reprezintă poziția unghiulară pe toate gradele de libertate, exprimată în coordonate robot. Prin diferențiere, se obține:

δ ⁶Xg = J (θ) * δ θ_{ή 2 6}

RO 123527 Β1 unde δ ⁶X₆ reprezintă aplicarea operatorului diferențial la schimbările liniare și unghiulare ale 1 poziției curente X_c ale elementului efector, exprimat în coordonate Carteziene, iar δ θ_{12 6} reprezintă aplicarea operatorului diferențial la setul de unghiuri exprimate în coordonate 3 robot. J (Θ) este matricea Jacobiană, în care elementele a,₇ satisfac relația:

a.j = δ f_M / δ θ_?1 unde i,jcorespund vectorilor x,, respectiv, θ_? Matricea Jacobiană inversă transformă poziția curentă din coordonate Carteziene δ ⁶Χθ, respectiv, δΧ, în eroare unghiulară, corespun- 9 zătoare coordonatelor robot δθ, conform relației:

δθ₁₂.....₆ = J-¹ (θ) * δ %

Calculul Jacobianului constă în multiplicări consecutive ale matricei corespunzătoare transformatei Denevit-Hartenberg a robotului. Vectorul erorii unghiulare δ θ, astfel 15 obținut, este folosit ca un semnal de control direct, pentru acționarea modulelor servoactuatoare MS1- MSm, ale robotului. 17 în continuare, dispozitivul conform invenției este alcătuit dintr-un număr de m module servoactuatoare MS, cu rolul de a asigura acționarea structurii mecanice a robotului în faza 19 de implementare, care primesc semnale de control de la sistemul de control mecatronic clasic SCMC, pe care sunt cuplate cele m module traductoare de măsură TM și care sunt 21 cuplate rigid de m actuatoare de sarcină AS. De asemenea, un număr de m module actuatoare de sarcină AS, cuplate rigid cu cele m module servoactuatoare MS, primesc 23 semnale de control de la un modul controler de sarcină MCS, cu rolul de a asigura funcționarea în sarcină a celor m module servoactuatoare MS. Un modul controler de sarcină 25

MCS primește referința de poziție X_R și forță X_R , precum și un semnal de referință Xr> pentru generarea sarcinii modulelor servoactuatoare MS, de la interfața de control 27 multifuncțional ICMF, cu rolul de a asigura controlul în timp real și funcționarea în sarcină a celor m module actuatoare de sarcină MS. Pentru funcționarea cu sarcină constantă a 29 servoactuatoarelor robotului, referința are o valoare constantă pentru fiecare axă de mișcare a robotului, prestabilită de operator, ceea ce va conduce la o sarcină constantă, în 31 fiecare articulație a robotului. Pentru funcționarea cu sarcină variabilă a servoactuatoarelor robotului, referința _are valori variabile, generate pe baza unor măsurători anterioare, 33 și sunt în funcție de referința de poziție X_R și forță X^f _r.

Un număr de n interfețe de control funcții ICF, care asigură un număr de n funcții de 35 control suplimentare față de cele asigurate de sistemul de control mecatronic clasic SCMC, comunică între ele, împreună cu modulul de interfața control multifuncțional ICMF, printr-o 37 magistrală de date MD, cu viteză ridicată de comunicație, cu rolul de a permite implementarea a diferite metode de control, cum ar fi controlul hibrid forță-poziție, funcții de 39 urmărire a unui contur, mersul tripod al unui robot pășitor, respectiv, controlul centrului de greutate, orientarea prin prelucrări de imagini. 41

Este prezentat, în continuare, un exemplu de funcție de control hibrid forță-poziție al unui robot pășitor hexapod, care demonstrează capabilitatea tehnologică de realizare a 43 modulului. Suprafața generalizată, pe care robotul lucrează, poate fi definită într-un spațiu constrâns (constraint space) cu 18 grade de libertate (DOF), cu constrângeri ale poziției X_c 45

RO 123527 Β1 de-a lungul normalei la această suprafață și constrângeri ale foiței F_c de-a lungul tangentelor. Considerând X_c și F_c exprimate în coordonate specifice de mediu, se pot determina matricele de selecție S_x și S_f, care sunt matrice diagonale cu 0 și 1 elemente diagonale, și care satisfac relația: S_x + S_f = l_d. Matricea l_d reprezintă matricea unitate cu 1 pe diagonală și 0 în rest. Interfețele de control funcții ICF, pentru a realiza controlul hibrid forță poziție, împarte în două seturi deviația ΔΧ_Ρ, măsurată în coordonate Carteziene de sistem de control mecatronic clasic SCMC: AX^F - corespunzătoare componentei controlate prin forța X? , Χζ 5' ΔΧ^Ρ, corespunzătoare controlului în poziție Xf Χζ .... X? , cu acționare pe axe, conform matricelor de selecție S_f și S_x. Dacă se consideră numai controlul de poziție , X( , pe direcțiile stabilite de matricea de selecție S_x, interfața de control funcții ICF va determina atât mișcările diferențiale dorite în mediul robot, corespunzătoare controlului în poziție, din relația: ΔΧ_Ρ=Κ_Ρ ΔΧ^Ρ, unde K_p este matricea câștigului, cât și unghiurile mișcării dorite pe axele controlate în poziție:

Δθ_ρ = J-¹ (θ) * ΔΧ_Ρ

Luând în considerare și controlul forței pe celelalte direcții rămase, relația între mișcarea unghiulară dorită pe axele robotului și eroarea de forță ΔΧ_Ρ este dată de relația:

Δθ_Ρ = J-¹ ( θ ) * ΔΧ_Ρ, unde eroarea de poziție, datorată forței ΔΧ_Ρ, este diferența de mișcare între ΔΧ_Ρ - deviația poziției curente, măsurată de sistemul de control mecatronic clasic SCMC și procesată de modulul de interfață control multifuncțional ICMF și ΔΧ₀ -deviația în poziție datorată forței reziduale dorită. Notând F_D forța reziduală dorită și K_w rigiditatea fizică, se obține relația: ΔΧ₀ = K_w ¹ * FD. Astfel, ΔΧΡ se poate calcula din relația: ΔΧΡ = KF (ΔΧ^Ρ - ΔΧ0), unde K_F este relația dimensională a matricei de rigiditate. în final, rezultă variația de mișcare pe axele robot, raportate la variația mișcării în mediul robot, după relația:

ΔΘ = J^_1 ( θ ) ΔΧΡ + J ¹ ( θ ) ΔΧΡ.

Se constată că modulul de interfață control multifuncțional ICMF execută, ca procese concurente, cele două moduri de control. De asemenea, traductoarele de măsură TM 1-TMm sunt folosite în două moduri: în controlul poziției, informația obținută de la traductoare este utilizată pentru a compensa abaterea din articulațiile roboților, datorită sarcinii create de forțele externe, astfel încât să accentueze aparenta rigiditate a sistemului de articulații ale robotului. în controlul forței, articulația este folosită ca un traductor de forță, astfel încât robotul să fie condus în aceeași direcție ca forța primită de la traductori, permițând ca forța de contact dorită să fie menținută.

Un alt exemplu se referă la realizarea unei interfețe de control ICF, cu funcții de urmărire a unei suprafețe de contur. Roboții pășitori, cu activități de transport pe terenuri accidentate, necesită funcții suplimentare de complianță, pentru a corecta erorile de poziționare, pentru a relaxa toleranța dintre componente și pentru a absorbi forțele de impact cu elemente din mediul robot. Din aceste considerente, sistemul de automatizare cu arhitectură deschisă OAH trebuie să asigure realizarea unei adaptabilități compliante.

RO 123527 Β1

Procesul de urmărire se realizează pe una dintre axele robot, cu controlul forței pe celelalte 1 două axe. Monitorizarea se realizează prin mișcarea de-a lungul piciorului robotului, păstrând contactul în celelalte 2 direcții. Sunt controlate forțele de contact pe direcțiile Z și X, iar 3 deplasarea pe Y este controlată prin poziție. Procesul de monitorizare a deplasării robotului pășitor poate fi împărțit în trei faze: apropiere, căutare și mișcare platformă. Faza de 5 apropiere: robotul se apropie de muchie cu o viteză specificată v_a, cu controlul poziției pe toate axele, conform unui proces de control în poziție. în momentul când un senzor al 7 palpatorului are contact cu suprafața de sprijin, este detectată o forță de contact. Prin intermediul forței detectate, cu ajutorul traductorului de forță, mișcarea în această direcție 9 este oprită, iar sistemul de control va asigura: a. controlul forței în această direcție și b. controlul poziției în toate celelalte direcții. Faza de căutare: la sfârșitul fazei de apropiere, un 11 braț al palpatorului se află în contact cu suprafața de sprijin, iar celalalt braț în proximitatea suprafeței de sprijin. în acest caz, corespunzător fazei de căutare, sistemul de comandă va 13 genera, pentru apropiere, o traiectorie de mișcare perpendiculară, cu o viteză de căutare specificată v_s. Când și această parte a palpatorului se află în contact cu suprafața de sprijin, 15 faza de căutare se încheie și se asignează controlul forței în direcția mersului robotului. Faza de mișcare platformă: când celelalte două faze s-au încheiat, suprafața de sprijin este în 17 contact cu palpatorul piciorului. Din acest moment, începe faza de mișcare platformă, cu forța controlată în direcțiile normale a două suprafețe, iar poziția este controlată în direcția 19 deplasării platformei robotului. Implementarea metodei în sistemul de automatizare cu arhitectură deschisă OAH se poate realiza în timp real, fără modificări hard ale sistemului 21 de control mecatronic clasic SCMV sau a modulului de interfață de controlmultifuncțional ICMF, fiind suficientă introducerea numai a unei noi interfețe de control funcții ICF, sub formă 23 de task, în structura sistemului cu arhitectură deschisă OAH. Rolul acestui task este de a genera pozițiile și forțele conform algoritmului de urmărire prezentat. în realizarea interfeței 25 de control ICF, cu funcții de urmărire a unei suprafețe de contur, s-a ținut cont că forța de contact trebuie să fie selectată în conformitate cu cerința sarcinii, iar rigiditatea fizică a 27 dispozitivului compliant este diferită pe fiecare direcție de contact, ceea ce determină devieri diferite, din și în jurul fiecărei axe. 29 în final, un modul interfață de control multifuncțional ICMF, care generează referințele de poziție și de forță Xj la sistemul de control mecatronic clasic SCMC, asigură 31 controlul în timp real, controlul priorităților și gestionarea schimbului de informații între un număr de n interfețe de control funcții ICF, conectate între ele printr-o magistrală de date MD 33 cu viteza ridicată de comunicație, la care se adaugă comunicația cu sistemul de control mecatronic clasic SCMC, cu rolul de a asigura, prin interfețele de control funcții ICF, 35 implementarea diferitelor metode de control suplimentare față de cele asigurate de sistemul de control mecatronic clasic SCMC, formând un sistem cu arhitectură deschisă OAH, în 37 controlul robotului. Generarea referințelor de poziție și forță la sistemul de control clasic al robotului se realizează pe baza unor modelări matematice, cum ar fi metoda inferenței 39 datelor, metoda fuzzy.

în continuare, este prezentat un exemplu de modelare matematică, care demonstrază 41 capabilitatea tehnologică de realizare a modului de interfață de control multifuncțional ICMF. Acesta constă într-un control fuzzy a mai multor interfețe de control funcții ICF. într-un caz 43 simplificat, considerăm o interfață de control funcții în poziție X? , Χζ.....X? și altă interfață de control funcții în forță Xf , Xf... XX pe două niveluri de decizie diferite, pentru a 45 determina viteza de deplasare a palpatorului (labei) piciorului unui robot. Controlul fuzzy pe

RO 123527 Β1 două sau mai multe niveluri de decizie are baze de reguli multiple, unde rezultatul unei inferențe a bazei de reguli este transmis la următorul nivel. în acest mod, dimensiunile cele mai importante ale inferenței pot fi grupate în seturi mai mici și combinate cu regulile de bază. în structura fuzzy astfel definită, rezultatele bazei de reguli ale controlului de poziție P sunt transmise la baza de reguli de control poziție forță PF. Această structură este similară cu o structură ierarhizată a regulatoarelor bazate pe caracteristice. în termenii controlului, bazat pe caracteristicile funcțiilor de poziționare, P este de nivel înalt și asigură controlul sistemului cu arhitectură deschisă OAH. Când apar perturbări dinamice sau sunt generate comenzi, funcția principală este forța. în general, aceasta controlează sistemul, pentru a evita instabilitățile. Controlul returnează baza de funcții P, când dinamica sistemului se stabilizează. Ideea de bază a controlerului este de a asigura viteza pe fiecare axă pentru abaterea dată în direcția corespunzătoare într-un mod euristic, în care un operator uman ar putea asigura deplasarea robotului pe suprafețe de sprijin denivelate. Sarcina modulului de interfață de control multifuncțional ICMF este, în acest caz, de a asigna abaterea măsurată a variabilelor fuzzy, cum ar fi pozitiv mare (PM), și de a evalua regulile de decizie prin inferența, astfel încât, în final, să poată stabili valoarea variabilei de ieșire, de exemplu, viteza ca variabilă fuzzy, care urmărește cel mai bine parametrul controlat. Forma regulii de decizie și a variabilelor fuzzy, folosite în luarea deciziei, depind de problema controlului specific. Se consideră abaterea în poziție a articulațiilor compliante e, rata abaterii în poziție Ae și forța de contact Af, ca date de intrare. Valorile abaterilor detectate prin traductoare de măsură TM1-TMm sunt cuantificate, în modulul de interfață de control multifuncțional ICMF, într-un număr de puncte corespunzător elementelor universului de discurs, iar apoi valorile sunt alocate drept grade de apartenență în câteva subseturi fuzzy. Relația dintre intrări, de exemplu, abaterile măsurate, sau ieșiri, ca, de exemplu, vitezele, și gradul de apartenență, poate fi definită în conformitate cu experiențele operatorului și cerințele sarcinii. Se definesc în mod empiric funcțiile de apartenență pentru toate elementele de intrare și ieșire. S-au ales valorile fuzzy, după cum urmează: NM - negativ mare, N_M- negativ mediu, Nm - negativ mic, ZO- zero, Pm- pozitiv mic, P_M- pozitiv mediu, PM - pozitiv mare. Din analiza bazei de reguli, s-a observat că bucla de reacție în forță este în funcție de rezultatele inferenței din controlul fuzzy al componentei P. Baza de reguli P poate fi ușor modificată de la o bază de reguli tipică, liniară, permițând înlocuirea tuturor valorilor Zero (ZO), cu excepția centrului bazei de reguli. în această manieră, baza de reguli P va trece pe valoarea ZO, numai când sistemul s-a stabilizat, ceea ce înseamnă că atât eroarea, cât și schimbările termenilor de eroare, corespund domeniului ZO. Pentru un anume set de intrări, de exemplu, abaterea măsurată, evaluarea regulilor fuzzy produce un set fuzzy de grade de apartenență pentru acțiunile de control generate de modulul de interfață de control multifuncțional ICMF. Pentru a lua o acțiune concretă, trebuie aleasă una dintre aceste valori. S-a selectat valoarea de control cu cel mai mare grad de apartenență. Regulile sunt evaluate la intervale egale, în același fel ca un sistem de control convențional. Rezultatul inferenței logice reprezintă tot valori fuzzy, care se aplică modului de defuzificare. Defuzificarea reprezintă o transformare a valorilor fuzzy, definită pe universul de discurs al ieșirii, într-o valoare numerică. Această procesare este necesară, deoarece controlul, în cazul regulatoarelor fuzzy, se face numai cu valori cript. Alegând ca metodă de defuzificare metoda centrului de greutate a ariei, calculul ieșirilor defuzificate sunt date de relația:

j u- μ_ί}{ιι)άιι u

crisp j u- μ_ί}{ιι)άιι u

RO 123527 Β1

Pentru un univers de discurs discret al ieșirii U, relația de calcul al centrului de greutate se reduce la relația:

Σ ΤΑθ(τ) _n _ ^ai ^e/;___________ ^U °crisp ~ V ( \

L ^yOi) α,ευ

Alegerea unui univers de discurs discret permite folosirea interferențelor de control multifuncțional ICMF, pentru generarea variabilelor fuzzy de ieșire cu un timp de procesare redus. Prin aplicarea controlului logic fuzzy, se obține o trecere lină, fără discontinuități, de la controlul în poziție la controlul în forță și poziție. Mai mult, se obține un răspuns rapid al buclei de control, iar instabilitățile sunt practic eliminate.

Brevetul propus are la bază numeroase cercetări multidisciplinare, cu contribuții de cercetarea fundamentală și capabilități tehnologice în numeroase domenii: industria nucleară pentru transport materiale nucleare, asistență medicală pentru persoane handicapate, agricultură și silvicultură, inspecții în zone greu accesibile, nano-micro tehnologii etc. Sistemul de control, în timp real, cu arhitectură deschisă OAH, a roboților, asigură flexibilitate, răspuns rapid, precizie în atingerea țintelor și repetabilitate în execuția programelor de mișcare ale robotului, cu eliminarea completă a sistemelor închise care conțin scheme dedicate unei anumite aplicații. Dezvoltări ulterioare în vederea creșterii performanțelor sau suplimentari cu funcții noi sunt asigurate numai prin modificări de programele soft, aferente interfețelor de control funcții ICF, din sistemul cu arhitectură deschisă OAH. Exemplele de module descrise vor să arate capabilitatea tehnologică de realizare atât a modulelor, cât și a dispozitivului de control, în timp real, al roboților, prin proiecție virtuală.

Claims (6)

1. Metodă de control, în timp real, al roboților, prin proiecție virtuală, caracterizată prin aceea că, în vederea îmbunătățirii performanțelor în controlul nano/micro/macro manipulatoarelor și roboților, în absența structurii mecanice, se asigură proiectarea, testarea și experimentarea metodelor de control pe un sistem de control mecatronic clasic (SCMC), fără a fi necesară modificarea structurii hardware a acestuia, prin parcurgerea următoarelor faze, în dezvoltarea respectivului sistem de control:

i. se realizează proiecția virtuală a structurii mecanice, determinată matematic, pe terminalul grafic de computer (TGC), printr-o interfață de control virtual (IOV), care permite modelarea matematică, pentru reprezentarea grafică a structurii mecanice, și care constă în reprezentarea grafică atât a traiectoriei de mișcare, reale și de referință, pe fiecare axă a elementelor componente, cât și a forțelor, reale și de referință, din articulațiile structurii

17” P ~\Z~ P ~\Z~ P ~\z~ F mecanice, reprezentare obținută prin: 1. prelucrarea datelor X_i , X₂ ... X_m și X_Y ,

X₂ Xm , generate de traductoarele de măsură (TM1-TMm), de poziție și de forță, cuplate pe actuatoarele robotului, și 2. a semnalelor de referință a poziției și forței x^f _r< pentru sistemul de control robot;

ii. se generează o bază (baze) de date, pentru memorarea eșantionată a semnalelor de intrare, , X₂ .... X’’ și X? , X₂ ,... Xf , care să permită vizualizarea, în timp real sau în reluare (play -back), cu viteza modificată, a detaliilor mișcării structurii mecanice;

iii. dezvoltarea unui sistem de control cu arhitectură deschisă (OAH), compus din sistemul de control clasic (SCMC) al robotului, în care generarea traiectoriei de mișcare și a forțelor se face prin metode clasice de control, cum arfi metoda Denevit-Hartenberg și/sau metoda teach-in, la care se adaugă o interfață de control hibrid poziție - forță;

iv. dezvoltarea sistemului de control cu arhitectură deschisă (OAH), prin adăugarea unei interfețe cu funcții de urmărire a unui contur;

v. dezvoltarea sistemului de control cu arhitectură deschisă (OAH), prin adăugarea unei interfețe cu tipul de mers al robotului, cum ar fi mersul tripod la un robot pășitor;

vi. dezvoltarea sistemului de control cu arhitectură deschisă (OAH), prin adăugarea interfețelor pentru controlul centrului de greutate, și orientarea prin prelucrări de imagini;

vii. generarea referințelor de poziție X^ și forța Xf la sistemul de control clasic al robotului (SCMC) prin schimb de date între interfețele de control funcții (ICF1-ICF_n), prezentate în secvențele iii - vi, pe baza unor modelări matemetice, cum ar fi metoda inferenței datelor, metoda fuzzy;

viii. funcționarea fără sarcină a modulelor servoactuatoare (MS1-MSm) ale robotului, care corespunde deplasării unui robotîn stare de imponderabilitate, și repetarea secvențelor ii - vii, efectuând simultan metodele de control în timp real, până ce performanțele în controlul robotului, respectiv, erorile între mișcările de referință X^ și mișcările rezultate X?, X₂ ,... X? prin proiecție virtuală, intră în gama de erori dorită;

ix. funcționarea cu sarcină constantă a modulelor servoactuatoare (MS1-MSm) ale robotului, comandat de un modul controler de sarcină (MCS) și repetarea secvențelor ii - vii, efectuând simultan metodele de control în timp real, până ce performanțele în controlul

RO 123527 Β1 robotului, respectiv, erorile intre mișcările de referința X_R și mișcările rezultate Λ₁ , 1

Λ/’ ... prin proiecție virtuală, intră în gama de erori dorită;

x. funcționarea cu sarcină variabilă a modulelor servoactuatoare (MS1-MSm) ale 3 robotului, care corespunde unei deplasări reale a unui robot, cu fluctuații de sarcină datorate mediului înconjurător, comandat de modulul controler de sarcină (MCS), prin procesarea 5 semnalelor X_R , cu valori variabile generate, pe baza unor măsurători anterioare, de modulul de control multifuncțional (ICMF), în corelație cu referințele de poziție X_R și forță X_R , cu 7 repetarea secvențelor ii - vii, efectuând simultan metodele de control în timp real, până ce performanțele în controlul robotului, respectiv, erorile între mișcările de referință X_R și 9 mișcările rezultate X?, X? X? prin proiecție virtuală, intră în gama de erori dorită.

2. Dispozitiv de control, în timp real, al roboților, prin proiecție virtuală, caracterizat 11 prin aceea că, în vederea îmbunătățirii performanțelor în controlul nano/micro/macro manipulatoarelor și roboților, în absența structurii mecanice, este alcătuit dintr-un modul de 13 interfață de control virtual (ICV), care are m intrări, semnalele de poziție x^p _m și forță , primite de la m module traductoare de măsură (TM) și două semnale de referință, poziție X_R și forță 15 X_R , primite de la modulul de interfață control multifuncțional (ICMF), cu rolul de a realiza proiecția virtuală a robotului pe terminalul grafic de computer (TGC) și generarea de bază 17 (baze) de date, pentru memorarea eșantionată a semnalelor de intrare, unde m reprezintă gradele de libertate ale robotului și semnalele de referință, un modul terminal grafic de computer 19 (TGC) primește informațiile de poziție X'_m și forță X'_m de la modulul de interfață, de control virtual (ICV), și printr-un program soft, asigură reprezentarea grafică în spațiul de mișcare 21 al robotului, cu rolul de analiză a mișcării structurii mecanice și reglare a parametrilor de control al sistemului de control mecatronic clasic (SCMC), un număr de m module, traductoare de 23 măsură (TM), transformă pozițiile X'_m , pe cele m grade de libertate și forțele X'_m , în cele m articulații ale robotului, în semnale de măsură și le transmite la modulul de interfață control 25 virtual (ICV), un sistem de control mecatronic clasic (SCMC) care primește semnalele de referință poziție X_R și forță X_R de la modulul de interfață control multifuncțional (ICMF), 27 m semnale de poziții actuale X'_m , ale structurii mecanice și m semnale ale forțelor actuale x^F _m în articulațiile structurii mecanice și transmite m semnale de control al celor m module 29 servoactuatoare (MS), cu rolul de a asigura controlul, în timp real, al robotului, un număr de m module servoactuatoare (MS), cu rolul de a asigura acționarea structurii mecanice a robotului, 31 în faza de implementare, care primesc semnale de control de la sistemul de control mecatronic clasic (SCMC), pe care sunt cuplate cele m module traductoare de măsură (TM) și care sunt 33 cuplate rigid de m actuatoare de sarcină (AS), un număr de m module actuatoare de sarcină (AS), cuplate rigid cu cele m module servoactuatoare (MS), care primesc semnale de control 35 de la un modul controler de sarcină (MCS), cu rolul de a asigura funcționarea în sarcină a celor m module servoactuatoare (MS), un modul controler de sarcină (MCS) care primește 37 referința de poziție X_R și forță X_R , precum și un semnal de referință X_R , pentru generarea

RO 123527 Β1

1 sarcinii modulelor servoactuatoare (MS), de la interfața de control multifuncțional (ICMF), cu rolul de a asigura controlul, în timp real, și funcționarea, în sarcină, a celor m module actuatoare

3 de sarcină (MS), un modul interfață de control multifuncțional (ICMF), care generează referințele de poziție Χζ și de forță Xj , la sistemul de control mecatronic clasic (SCMC), asigură

5 controlul în timp real, controlul priorităților și gestionarea schimbului de informații între un număr de n interfețe de control funcții (ICF), conectate între ele printr-o magistrală de date (MD) cu

7 viteză ridicată de comunicație, la care se adaugă comunicația cu sistemul de control mecatronic clasic (SCMC), cu rolul de a asigura, prin interfețele de control funcții (ICF), implementarea

9 metodelor de control suplimentare față de cele asigurate de modulul de control mecatronic clasic (SCMC), formând un sistem cu arhitectură deschisă (OAH) în controlul robotului, un 11 număr de n interfețe de control funcții (ICF), care asigură un număr de n funcții de control suplimentare față de cele asigurate de modulul de control mecatronic clasic (SCMC), comunică 13 între ele, împreună cu modulul de interfață control multifuncțional (ICMF), printr-o magistrală de date (MD) cu viteză ridicată de comunicație, cu rolul de a permite implementarea metodelor 15 de control hibrid forță-poziție, funcțiilor de urmărire a unui contur, mersul tripod al unui robot pășitor, controlul centrului de greutate, orientărea prin prelucrări de imagini.