EVOLUZIONE DI UN SISTEMA ROBOTICO COMANDATO IN TELEMANIPOLAZIONE E RETROAZIONATO IN POSIZIONE E FORZA

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1 EVOLUZIONE DI UN SISTEMA ROBOTICO COMANDATO IN TELEMANIPOLAZIONE E RETROAZIONATO IN POSIZIONE E FORZA Tuor: Prof. Robero Caraccolo 1

2 INDICE 1. Inroduzone 1.1 Aspe general d elemanpolazone va Inerne 1.2 Caraersche del ssema svluppao e obbev del lavoro 2. Allesmeno del ssema per la spermenazone 3. Panfcazone on-lne della raeora del manpolaore 4.1 Scela del empo d panfcazone 4.2 Defnzone delle condzon al conorno 4. Algormo rardane basao sul segnale d forza msurao 5.1 Calcolo del rardo conrollao basao sulla forza msuraa 5.2 Rardo complessvo e ndce d rardo 5. Valdazone spermenale 5.1 Tes d nsegumeno 5.2 Tes d foraura 6. Concluson 2

3 1.1 Aspe general d elemanpolazone va Inerne Telemanpolazone va Inerne Un operaore umano che conrolla un ssema roboco remoo n real me araverso Inerne Camp d applcazone Tele-chrurga Manpolazone d maeral percolos Avà n amben osl Esplorazone spazale Osacol prncpal La comuncazone real me basaa su Inerne è affea da una sere d lmazon e dffcolà: Banda d rasmssone lmaa Rard d rasmssone arbrar Perda d pacche ed error d rasmssone Insablà e de-sncronzzazone Scarse presazon del ssema eleroboco 3

4 1.2 Caraersche del ssema svluppao e obbev del lavoro Ssema roboco per la elemanpolazone cosuo da un maser apco e da un robo anropomorfo collega ra loro n real me araverso Inerne Realzzazone d operazon d foraura a dsanza: ask adao all mpego n dvers seor (elechrurga, elemanuenzone, ecc.) L operaore muove l manpolaore araverso un nerfacca apca a cnque grad d lberà doaa d un auaore a forma d penna; movmen compu dall operaore sono rprodo a dsanza dal robo L nerfacca apca è n grado d generare amben vrual che consenono d gudare l operaore nell esecuzone del ask L operaore dspone d un feedback d forza prodoo da una cella d carco esensmerca monoassale monaa sull end effecor del manpolaore e n grado d msurare le forze lungo l asse d foraura Ambene reale non sruurao 4

5 2. Allesmeno del ssema per la spermenazone Ssema apco a 5 grad d lberà PRoGa5 (MASTER) CONTROLLORE DELL UNITA MASTER E GESTIONE DELLA COMUNICAZIONE Rfermen d poszone e orenameno COMUNICAZIONE VIA INTERNET Reroazone d poszone e forza CONTROLLORE DELL UNITA SLAVE Manpolaore anropomorfo SysemRobo RM10 (SLAVE) End effecor Reroazone vsva 5

6 UNITA SLAVE Conrollore ad archeura VME Inerfacca uene: eachng pendan Programmazone per auo-apprendmeno Ssema chuso non adao ad applcazon d elemanpolazone Passaggo ad un ssema apero basao su PC e su un ssema operavo real-me commercale (xpc-arge) araverso: Un rcondzonameno compleo sa hardware che sofware del conrollore dell unà slave La progeazone e la snes d un conrollore apero : 1. Comuncazone va ree Inerne con l nerfacca apca 2. Inerfaccameno con la pare d poenza del robo (generazone de segnal d ablazone e conrollo) 3. Poszonameno nzale degl ass 4. Calcolo degl algorm d cnemaca drea e nversa del manpolaore 5. Panfcazone della raeora 6. Regolaozone PID per l conrollo d poszone degl ass 7. Implemenazone d un nnovavo algormo, basao su un approcco d po non-mebased, n grado d asssere l operaore durane la foraura n remoo e mglorare l rsulao fnale della lavorazone 8. Generazone del feedback d forza 6

7 3.1 Panfcazone on-lne della raeora e empo d panfcazone Panfcazone on-lne della raeora Calcolo della raeora successva durane l nervallo d empo n cu l manpolaore sa eseguendo la raeora auale. I rfermen d poszone non sono no a pror; ess sono genera on lne da movmen dell operaore. All nzo del generco sep d panfcazone, per l calcolo della raeora successva sono no e mpegabl solamene la poszone auale del manpolaore erfermen d poszone rcevu durane l rao d panfcazone precedene : 1 ULTIMI RIFERIMENTI RICEVUTI 2 ULTIMI RIFERIMENTI RICEVUTI 3 PLANNING f POSIZIONE ATTUALE PLANNING f POSIZIONE ATTUALE PLANNING La panfcazone avvene nello spazo de gun mpegando polnom cubc cu coeffcen vengono aggorna con un nervallo d empo fsso: 3 2 θ ( ) = a + b + c + d 0 f Tempo d calcolo breve e semplce defnzone delle condzon al conorno La scela d un nervallo d empo ( f ) adeguao per l aggornameno della raeora rsula d fondamenale mporanza per asscurare un buon nsegumeno. In eora, pù pccolo è f mglore è l nsegumeno d poszone e nferore l rardo rspeo alla poszone d rfermeno f 7

8 3.2 Panfcazone on-lne della raeora e condzon al conorno LA SCELTA DI f DEVE ESSERE FATTA CONSIDERANDO: La dnamca del fenomeno che deve essere rprodoo Le caraersche del canale d rasmssone Banda passane della mano d un operaore umano: 5-10 Hz []. Adozone d un empo d camponameno 50 Hz Comuncazone basaa su Inerne: rard e perde d da. Ulzzo d una banda d rasmssone pù ampa (200 Hz) rspeo al necessaro Tempo d aggornameno della raeora: 20 mllsecond (f =20ms). Rduzone della probablà d avere vuo nformav nella defnzone della raeora Raccordo de polnom relav a dvers sep d panfcazone mposando adeguae condzon al conorno al fne d asscurare: f f f CONTINUITA DI POSIZIONE CONTINUITA DI VELOCITA L mpego d polnom cubc preclude la possblà d asscurare la connuà della funzone d accelerazone alla gunzone de segmen d panfcazone Fenomen vbraor Dsconnuà d enà conenua nelle funzon d accelerazone: gl effe rsulano rascurabl [] S. Borolao, A. Gaspareo, A. Trevsan, and V. Zanoo, Towards a model of he human hand: Lnear sysem denfcaon of he human grasp, In Proceedngs of he 1s IASME Inernaonal Conference on Advances n Mechancs and Mecharoncs ( ), Udne, Ialy,

9 4.1 Calcolo del rardo conrollao basao sulla forza msuraa Inroduzone d un rardo ne rfermen d poszone basao sulla forza msuraa dalla cella d carco R R ( ) = R( τ) R 1 R = R 1+ ( 1) τ( f) τ ( ) ( ) 1 R = R 1+ R R 1 1 ( ) 1 F mean f()d 1 1 mean = f 1 F 1 max f()d ( ) max 1 f 1 = T R = R 1+ ( R R 1) T f 1 R -1-1 τ (f ) = R 1 R f()d F τ max = -1 f ()d F max 9

10 4.2 Rardo complessvo e ndce d rardo Velocà d foraura cosane (rampa d rfermen d R = k R = k poszone con pendenza cosane) mean Ipozzando una forza d foraura cosane f 1 1 = T è cosane 1 R R (R R ) T Fmax = Rfermen d poszone Gap d poszone Rardo complessvo R R R R S = τj j= 1 1 k k T 1 k (1 T) (1 T) 2 2k 3k T k T 2 k (2 3T + T ) 2 2 (2 3T + T ) k 6k T 4k T + k T 3 k (3 6T + 4T T ) k 10k T 10k T + 5k T k T k (4 10T + 10T 5T + T ) S 5k 15 ( k T) j = τ j = 1 T R5 20k T + 15k T 6k Tk + (5 k T15T + 20T 15T + 6T T ) j= 1 j= 1 Sere geomerca d ragone: ( ) 0 1 T 1 1 T 1 T 1 S = = = 1 1 (1 T) T T Indce d rardo m per modfcare l effeo del rardo: 1 S = 1 m m 1 T overall delay S [s] R - 1 = 0,1,...n T = 1 T (3 6T 4T T ) (4 10T + 10T 5T + T ) (5 15T + 20T 15T + 6T 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 R T=1-f mean /F max τ m=1 m=2 m=4-1 = -1 f F ()d max 10

11 5.1 Tes d nsegumeno Rfermeno d poszone ad andameno snusodale con feedback d forza nullo Insegumeno n corrspondenza dell araversameno dello zero Insegumeno n corrspondenza del valore d pcco Errore d nsegumeno L errore d nsegumeno ra poszone auale e rfermeno d poszone s manene nferore ad 1 mm Dal momeno che f=20ms, l panfcaore nroduce un rardo ssemaco d 20 ms ra la poszone auale del manpolaore e l rfermeno d poszone. L errore conseguene s manene comunque conenuo 11

12 5.2 Tes d foraura 5.2 Tes d foraura Tes d foraura condo su pannello n legno Profondà d foraura : 20 mm Velocà d foraura: 1 mm/s Al ermne della foraura, l uensle vene manenuo nella poszone fnale per crca 25 second prma dell esrazone Impego d re dvers valor dell ndce d rardo (m=4, m=8, and m=16) F max = 10N 3 mean = 5 10 s f = T S = 1 1 m Fmax T Con m=4 S =0,61s Con m=8 S =4,27s 0,6 s 4,1 s 12

13 Flmao d un es d foraura FORZA [N] POSIZIONE [mm] START 13

14 6. Concluson E sao mplemenao un ssema cosuo da un nerfacca apca (maser) e da un manpolaore anropomorfo (slave) n grado d realzzare operazon d foraura n remoo ulzzando la ree Inerne Il ssema slave è sao doao d una reroazone d forza al fne d fornre all operaore la sensazone del reale conao con l oggeo n lavorazone In parcolare, sono sa realzza gl nerven necessar per meere n grado l robo ndusrale d funzonare come operaore remoo n comp d elemanpolazone Rcondzonameno compleo sa hardware che sofware del ssema d conrollo Progeazone e snes d un conrollore apero per l unà slave Valdazone spermenale degl algorm mpega APPLICAZIONI FUTURE 1. Chrurga ele-roboca (per esempo: ranng remoo, nerven d nsermeno d v peduncolar negl anell verebral, nerven d laparoscopa) 2. Monoraggo e manuenzone remoa (n parcolare con rfermeno ad nerven n amben osl: profondà marne, amben conamna) 3. L algormo rardane porebbe rovare ule mpego, ad esempo, nel conrollo d appara d sollevameno 14