Análise dinâmica de vibrações em manipuladores robóticos

Abstract

Os manipuladores robóticos apresentam vibrações indesejadas durante o seu funcionamento. Por um lado, estas vibrações resultam de numerosos factores, tais como, folgas, flexibilidades, atritos, não-linearidades e outras causas. Por outro lado, os robôs, ao interagirem com o meio ambiente, geram frequentemente impactos que produzem vibrações que se propagam através de toda a estrutura mecânica. Neste contexto, de modo a reduzir, ou eliminar, o efeito das vibrações e dos impactos, é fundamental estudar as variáveis envolvidas para se poderem definir estratégias adequadas. Nesta ordem de ideias, este trabalho estuda e desenvolve metodologias de análise para aplicações em estruturas de manipulação sujeitas a impactos e a vibrações. As experiências realizadas com o sistema robótico desenvolvido, na presença de impactos, vibrações e na movimentação de líquidos, evidenciaram o comportamento de ordem fraccionária de alguns sinais. A transformada de Fourier com janela, utilizada no estudo dos sinais robóticos, revelou-se uma ferramenta adequada para a análise dos sinais não estacionários, como é o caso dos sinais originados nos fenómenos referidos. Os robôs utilizam uma multiplicidade de sensores de forma a adaptarem-se a perturbações ou a mudanças inesperadas no espaço de trabalho. Os dados assim obtidos podem ser redundantes, uma vez que a mesma informação pode ser captada por dois ou mais sensores. Neste contexto, faz-se um estudo do comportamento do espectro dos sinais e apresenta-se um método de classificação dos sinais que pode contribuir para a optimização da instrumentação utilizada nos sistemas robóticos. No estudo dos sinais robóticos apresentam-se várias experiências suportadas por conceitos da teoria da informação e implementadas através de uma reconstrução do espaço de estados. Assim, determina-se, experimentalmente, uma relação entre os declives das linhas de tendência dos espectros com a dimensão fractal do espaço de estados reconstruído e o correspondente tempo de atraso. Propõem-se ainda dois índices para determinação do grau das folgas em sistemas mecânicos sujeitos a oscilações periódicas. Desenvolve-se também um novo método, baseado na informação mútua, para sintonia da transformada de Fourier com janela.

The operation of robotic manipulators reveals unwanted vibrations. On one hand, these vibrations occur due to several factors, such as, backlash, flexibilities, friction, non-linearities and other effects. On the other hand, the robots, interacting with the environment, generate often impacts that produce vibrations which are propagated through the mechanical structure. In this perspective, in order to adopt adequate strategies for reducing or eliminating the effect of vibrations and impacts, it is important to study the involved variables. Bearing these ideas in mind, this work studies and develops analysis methodologies for applying to mechanical manipulators structures subject to impacts and vibrations. Several experiments are performed with the developed robotic system in the presence of impacts, vibrations, or when carrying liquid containers. Some of the captured signals reveal a fractional order behavior. The windowed Fourier transform is applied in the study of the robotic signals and reveals to be an adequate tool to deal with this type of non stationary signals. The robots use a multiplicity of sensors necessary to deal with the perturbations or with unexpected changes in its work space. Therefore, the data obtained can be redundant because the same type of information can be obtained by two or more sensors. In this context, is established the study of the signal spectra. A sensor classification scheme is developed that can help in the design optimization of the robotic instrumentation. Several experiments are performed for analyzing the robotic signals, based on the information theory, and implemented through the pseudo phase space. An experimental relationship is determined between the slopes of the trendlines spectra, with the fractal dimension of the pseudo phase space and the corresponding time lag. Additionally, two indices are proposed to detect the backlash effect on mechanical systems with periodic oscillations. Finally, a new method based on the mutual information, for tuning the windowed Fourier transform, is presented.