Cinematica de robôs

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Cinematica de robôs

  1. 1. CAMPUS PARTY BRASIL 2010 CINEMÁTICA DE ROBÔS Prof. Dr. Marcelo Nicoletti Franchin [email_address] UNESP CAMPUS DE BAURU – FACULDADE DE ENGENHARIA
  2. 2. Estrutura da Palestra <ul><li>Objetivo </li></ul><ul><ul><li>Apresentar uma visão geral da modelagem da cinemática robótica aplicada aos manipuladores industriais, robôs móveis e robôs humanóides. Apresentar o estudo de caso da cinemática do robô CP01 </li></ul></ul><ul><li>Conteúdo </li></ul><ul><ul><li>Componentes e estrutura de um robô </li></ul></ul><ul><ul><li>Conceitos gerais </li></ul></ul><ul><ul><li>Modelagem de robôs </li></ul></ul><ul><ul><li>Cinemática direta e inversa </li></ul></ul><ul><ul><li>Exemplos de robôs elementares </li></ul></ul><ul><ul><li>A cinemática direta e inversa do CP01 </li></ul></ul>
  3. 3. Mecatrônica Conceitos Básicos Mecatrônica Computação Sistemas de Controle Mecânica Eletrônica Modelagem, análise e simulação. Execução de algoritmos de controle . Impõem o comportamento desejado ao sistema. Parte ‘física’ do sistema . <ul><li>Diversas funções: </li></ul><ul><li>Processamento de sinais. </li></ul><ul><li>Controle analógico. </li></ul>
  4. 4. <ul><li>Grandes nomes da Robótica </li></ul><ul><li>Karel Capek </li></ul><ul><li>Isaac Asimov </li></ul><ul><li>Joseph Engelberger </li></ul><ul><li>George Devol </li></ul><ul><li>Jaques Denavith </li></ul><ul><li>Richard S Hartenberg </li></ul>
  5. 5. Robô WASUBOT Tsukuba 1985 WAseda SUmitomo roBOT Waseda University – Tokyo, Japão Sumitomo Electric Industry Ltd . Lê a partitura e toca em concertos
  6. 6. Filmes mais recentes, entretanto, como o Guerra nas Estrelas (parte 4 em 1977) colocaram os robôs &quot;C3PO&quot; e &quot;R2D2&quot; como auxiliares dos homens. O robô “C3PO&quot; e “The terminator” esboçam a aparência humana. Estes robôs, que são feitos à imagem humana são chamados de andróides.
  7. 7. Robô Asimo HONDA Advanced Step in Innovative Mobility 1,20 m de altura Lançado 31 out 2000 Evolução do P2 1996 e P3 1997 52 Kg 26 motores DC 2 câmeras
  8. 8. Robô Asimo HONDA Advanced Step in Innovative Mobility 1,20 m de altura Lançado 31 out 2000 Evolução do P2 1996 e P3 1997 52 Kg 26 motores DC 2 câmeras
  9. 9. <ul><li>TIPOS DE JUNTAS. </li></ul><ul><li>Os braços de robôs podem ser formados por três tipos de juntas: </li></ul><ul><li>juntas deslizantes ; </li></ul><ul><li>juntas de rotação ; </li></ul><ul><li>juntas de bola e encaixe . </li></ul><ul><li>A maioria dos braços dos robôs são formadas pelas juntas deslizantes e de revolução, embora alguns incluam o de bola e encaixe. A seguir será descrito cada um destes tipos de juntas. </li></ul>Conceitos Gerais e Classificação de Robôs
  10. 10. Juntas Deslizantes. Este tipo de junta permite o movimento linear entre dois vínculos. É composto de dois vínculos alinhados um dentro do outro, onde um vínculo interno escorrega pelo externo, dando origem ao movimento linear. Este tipo de junta é mostrada na figura 2, como segue. FIGURA 2 - Junta deslizante Conceitos Gerais e Classificação de Robôs
  11. 11. Juntas de Rotação. Esta conexão permite movimentos de rotação entre dois vínculos. Os dois vínculos são unidos por uma dobradiça comum, com uma parte podendo se mover num movimento cadenciado em relação à outra parte, como mostrado na figura 3. As juntas de rotação são utilizadas em muitas ferramentas e dispositivos, tal como tesouras, limpadores de pára-brisa e quebra-nozes. FIGURA 3 - Junta de rotação Conceitos Gerais e Classificação de Robôs
  12. 12. Juntas de Bola e Encaixe. Esta conexão se comporta como uma combinação de três juntas de rotação, permitindo movimentos de rotação em torno dos três eixos, como mostrado na figura 4. FIGURA 4 - Junta de bola e encaixe Conceitos Gerais e Classificação de Robôs
  13. 13. Estas juntas são usadas em um pequeno número de robôs, devido à dificuldade de ativação. De qualquer maneira, para se ter a performance de uma junta bola e encaixe, muitos robôs incluem três juntas rotacionais separadas, cujos eixos de movimentação se cruzam em um ponto, como na figura 5. FIGURA 5 - Três juntas rotacionais substituindo a junta de bola e encaixe Conceitos Gerais e Classificação de Robôs
  14. 14. GRAUS DE LIBERDADE. O número de articulações em um braço do robô é também referenciada como grau de liberdade. Quando o movimento relativo ocorre em um único eixo, a articulação têm um grau de liberdade. Quando o movimento é por mais de um eixo, a articulação têm dois graus de liberdade. A maioria dos robôs têm entre 4 a 6 graus de liberdade. Já o homem, do ombro até o pulso, têm 7 graus de liberdade. Conceitos Gerais e Classificação de Robôs
  15. 15. Descrevendo posição e orientação Sistemas de coordenadas ou “Frames” são associados ao manipulador e objetos do ambiente
  16. 16. Cinemática direta de manipuladores As equações cinemáticas descrevem o frame do efetuador em relação ao frame da base como uma função das variáveis de junta
  17. 17. Cinemática inversa Para uma dada posição e orientação de um frame do efetuador, os valores das variáveis de junta podem ser calculados usando a cinemática inversa
  18. 18. Velocidades, forças estáticas e singularidades A relação geométrica entre as taxas de variação das juntas e a velocidade do efetuador podem ser descritas em uma matriz chamada Jacobiana
  19. 19. Dinâmica A relação entre os torques aplicados pelos atuadores e o movimento resultante do manipulador está embutida nas equações dinâmicas de movimento
  20. 20. Geração de trajetória Para mover o efetuador através do espaço do ponto A para o ponto B deve-se calcular a trajetória para cada junta seguir
  21. 21. Projeto do manipulador e sensores Deve-se observar tópicos como escolha do atuador, localização, sistema de transmissão, rigidez estrutural, localização dos sensores, etc.
  22. 22. Para fazer com que o manipulador siga uma trajetória desejada, um sistema de controle de posição deve ser implementado. Tal sistema usa realimentação dos sensores das juntas para manter o manipulador no curso
  23. 23. Controle de Força Para um manipulador se deslocar sobre uma superfície enquanto aplica uma força constante, um sistema híbrido de controle força-posição deve ser usado
  24. 24. Linguagem de Programação Os movimentos desejados do manipulador e do efetuador, as forças desejadas de contato e as estratégias de manipulação complexas podem ser descritas em uma linguagem de programação de robôs
  25. 25. Sistemas de Programação Off-line Normalmente fornecem uma interface gráfica no computador e permitem que robôs sejam programados sem acesso ao robô real durante a programação
  26. 26. Modelagem de Robôs Descrição de uma posição
  27. 27. Modelagem de Robôs Descrição de uma orientação
  28. 28. Exemplos de vários frames
  29. 29. Transformação de um frame para outro
  30. 30. Representando o movimento de um objeto
  31. 31. Efeitos das transformações elementares
  32. 32. Efeitos das transformações elementares Notação Matricial
  33. 33. Efeitos das transformações elementares Notação Matricial
  34. 34. Efeitos das transformações elementares Notação Matricial
  35. 35. Efeitos das transformações elementares Notação Matricial
  36. 36. Transformações elementares Matriz Geral de Transformação x – componentes x,y e z do novo eixo x y – componentes x,y e z do novo eixo y z – componentes x,y e z do novo eixo z Todos em relação ao frame de referência
  37. 37. Efeitos das transformações elementares Exemplo
  38. 38. Efeitos das transformações elementares Exemplo 1
  39. 39. Frames colocados nos objetos
  40. 40. Dada a posição do objeto na imagem da câmera, calcule a posição do objeto em relação ao frame de refêrência
  41. 41. Introdução à Cinemática Direta e Inversa
  42. 42. Solução trigonométrica
  43. 43. Solução com matrizes de transformação
  44. 44. Solução com matrizes de transformação
  45. 45. Solução com matrizes de transformação
  46. 46. Solução com matrizes de transformação
  47. 47. Introdução à Cinemática Direta e Inversa
  48. 48. Introdução à Cinemática Direta e Inversa
  49. 49. Introdução à Cinemática Direta e Inversa
  50. 50. Introdução à Cinemática Direta e Inversa
  51. 51. Introdução à Cinemática Direta e Inversa
  52. 52. Introdução à Cinemática Direta e Inversa
  53. 53. Introdução à Cinemática Direta e Inversa
  54. 54. Braço esquerdo do CP01
  55. 55. Matriz transformação do braço esquerdo
  56. 56. Testes de posicionamento Em home, todos os angulos = 0, d1=120mm, l2=277mm, l3=240mm
  57. 57. Cinemática Inversa A matriz geral de transformação é igualada à posição e orientação desejadas
  58. 58. Cinemática Inversa Da equação 9 resulta
  59. 59. <ul><li>MCKERROW, P.H. Introduction to Robotics. Addison Wesley, 1991. </li></ul><ul><li>CRAIG, J.J. Introduction to Robotics Mechanics and Control. 3rd ed., Addison Wesley, 2003. </li></ul><ul><li>NOF, S.Y. Handbook of Industrial Robotics. 2nd ed., John Wiley, 1999. </li></ul><ul><li>ROMANO, V. F. (ed.) Robótica Industrial. Aplicação na indústria de manufatura e de processos. Editora Edgard Blucher, MANET, 2002. </li></ul><ul><li>ROSÁRIO, J.M. Princípios de Mecatrônica. Pearson, 2004. </li></ul>Referências bibliográficas
  60. 60. Maiores Informações sobre o CP01 <ul><li>www.theopenrobotproject.org </li></ul><ul><li>Robotics4all.ning.com </li></ul><ul><li>www.youtube.com </li></ul>

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