Controllo del moto e robotica industriale Introduzione al corso Prof. Paolo Rocco (paolo.rocco@polimi.it)
Obiettivi del corso Il corso si propone di affrontare problemi di controllo del moto relativi sia a singoli servomeccanismi, sia ad un manipolatore robotico industriale completo. controllo del moto robotica industriale Il controllo del moto ha varie applicazioni Quali sono e come si risolvono i problemi di controllo del moto per il robot industriale? La robotica industriale copre vari aspetti Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [2]
Il robot industriale si compone di: Il robot industriale Struttura meccanica con attuatori e sensori Unità di governo COMAU SpA COMAU SpA Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [3]
Il sistema di controllo Il sistema di controllo di un robot è un prodotto molto complesso e sofisticato, che richiede tempi di sviluppo software elevati. I suoi compiti principali sono i seguenti: Interfaccia con l operatore (MMI) Pianificazione delle traiettorie Controllo in tempo reale del moto dei giunti Immagazzinamento dati Gestione dell interazione con altre macchine Diagnostiche, gestione malfunzionamenti Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [4]
Applicazioni tipiche (COMAU SpA) Assemblaggio Saldatura a Punti Saldatura ad arco Carico Scarico Macchine Automazione Linee Interpresse Movimentazione Sigillatura - Siliconatura Lavorazione Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [5]
Esempi di robot industriali AdeptOne XL Struttura SCARA Quattro giunti Portata 12 Kg Ripetibilità: 0.025 0.038 mm COMAU SMART S2 Gli esempi sono tratti dal testo: L.Sciavicco, B.Siciliano Robotica industriale Modellistica e controllo di robot manipolatori (2a ed.) Mc Graw-Hill, 2000 Struttura antropomorfa Sei giunti Portata 16 Kg Ripetibilità: 0.1 mm Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [6]
Esempi di robot industriali ABB IRB 4400 Struttura antropomorfa con parallelogramma Sei giunti Portata 60 Kg Ripetibilità: 0.07 0.1 mm Unità lineare Kuka KL 250 con robot KR 15/2 Struttura antropomorfa montata su slitta con installazione a portale Sei giunti giunto lineare Portata 25 Kg Ripetibilità: 0.1 mm Gli esempi sono tratti dal testo: L.Sciavicco, B.Siciliano Robotica industriale Modellistica e controllo di robot manipolatori (2a ed.) Mc Graw-Hill, 2000 Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [7]
Esempi di robot industriali Robotics Research K-1207i Struttura antropomorfa Sette giunti Giunto addizionale rotoidale: aumenta destrezza e consente di ripiegare FANUC I-21i Gli esempi sono tratti dal testo: L.Sciavicco, B.Siciliano Robotica industriale Modellistica e controllo di robot manipolatori (2a ed.) Mc Graw-Hill, 2000 Struttura antropomorfa Sei giunti Sensore di forza Sistema di visione 3D Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [8]
Assemblaggio www.fanucrobotics.com Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [9]
Carico-scarico www.fanucrobotics.com Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [10]
Saldatura www.fanucrobotics.com Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [11]
Lavorazione www.fanucrobotics.com Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [12]
Verniciatura - Sigillatura www.fanucrobotics.com Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [13]
Robotica di servizio Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [14]
Robotica spaziale www.space.gc.ca Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [15]
Robotica umanoide www.is.aist.go.jp/humanoid/ Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [16]
Argomenti del corso Richiami di cinematica Dinamica Pianificazione del moto Controllo decentralizzato di manipolatori Metodi avanzati di controllo del moto Controllo centralizzato Controllo dell interazione e controllo servovisivo Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [17]
Prerequisiti del corso Che argomenti bisognerebbe conoscere prima di questo corso? Matrici di rotazione Rappresentazione dell orientamento Matrici di trasformazione omogenea Convenzione di Denavit-Hartenberg } da Fondamenti di robotica Equazioni di Lagrange per la dinamica di sistemi meccanici Fondamenti di automatica Elementi di analisi di sistemi di controllo non lineari (metodo di Lyapunov) Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [18]
I testi Sito web con materiale aggiuntivo: home.dei.polimi.it/rocco/cmri Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [19]
La dinamica Studieremo in modo sistematico il modello dinamico del manipolatore: L immagine è tratta dal testo: L.Sciavicco, B.Siciliano Robotica industriale Modellistica e controllo di robot manipolatori (2a ed.) Mc Graw-Hill, 2000 la cui conoscenza è indispensabile sia per la simulazione sia per il controllo con metodi avanzati (centralizzati). Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [20]
Controllo del manipolatore Il controllo del manipolatore si può affrontare in modo: Decentralizzato Centralizzato q md1 R 1 τ 1.. q d q md2 q m1 R 2 τ 2 q m2. q d q d K D K P v ^ B(q) τ MANIPOLATORE q. q q mdn R n τ n. η(q,q) ^ q mn Con un controllo decentralizzato il problema si riconduce in realtà allo studio di n problemi di controllo monovariabili: problemi di controllo di servomeccanismi. Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [21]
Il servomeccanismo Un servomeccanismo di posizione è costituito essenzialmente da un motore, un riduttore ed un carico: riduttore motore carico Il problema di controllo si pone nei termini di governare il moto del carico, modulando opportunamente la coppia erogata dal motore. I servomeccanismi di posizione si trovano ovunque: robot, macchine utensili, macchine per lavorazione, macchine tessili, per il packaging, autoveicoli, aerei, periferiche di computer Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [22]
Controllo del servomeccanismo Vedremo come si pianifica una traiettoria: gradi 140 120 100 80 60 40 Posizione gradi/s 60 50 40 30 20 Velocità 20 10 0 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Accelerazione Jerk 100 500 50 gradi/s 2 0 gradi/s 3 0-50 -100 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 t(s) -500 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 t(s) Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [23]
Controllo del servomeccanismo Studieremo le leggi di controllo più comuni (PID): q o m s K pp s R PI (s) τ m τ dr G v (s). q m 1/s q m Metteremo in evidenza i limiti di prestazione indotti dalla elasticità: Vedremo anche qualche aspetto realizzativo: 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 motore carico Y sp c b Y K P /T I 0 st D 1sT D /N =0 <0 K P 1 s I M A U Sat M.. 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 t (s) Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [24]
Controllo del servomeccanismo Passeremo in rassegna alcune tecniche avanzate di controllo Filtri a spillo (notch) Controllo basato su pole placement 0-2 -4-6 Feedforward -8 db -10-12 -14 q l Conversione setpoint q m τ m Servo posizionatore q m q l -16-18 -20 10-1 10 0 10 1 w/wn Input shaping Controllore K x^ Stima dello stato 1 ingresso originario ingresso modificato 0.5 (Nm) 0-0.5-1 0 20 40 60 80 100 120 t (s) Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [25]
Controllo centralizzato Studieremo tecniche di controllo del manipolatore basate sul modello:.. q d. q d q d K D K P v ^ B(q) τ MANIPOLATORE q. q. η(q,q) ^ analizzando varianti robuste, adattative, concepite nello spazio operativo, ecc.. Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [26]
Controllo con sensori esterni Studieremo strategie di controllo che tengano opportunamente conto delle forze che si generano al contatto. F Faremo anche dei cenni al controllo servovisivo, eseguito sulla base delle immagini catturate da una telecamera Controllo del moto e robotica industriale - Introduzione - P. Rocco [27]