Análise de Dados de Força para Arquitecturas de Controlo

Abstract

É cada vez mais notória a presença da robótica na sociedade. É na indústria que esta presença é mais óbvia, mas, são muitas as novas áreas em que os robôs têm vindo a ganhar uma certa importância. Uma dessas áreas é a medicina, onde, ultimamente, os robôs têm aparecido de forma crescente, trazendo benefícios não só para os pacientes, ajudando na sua recuperação, mas também para os médicos, auxiliando-os em diversos procedimentos. No entanto, quando o médico utiliza o robô para procedimentos que envolvem contacto (e.g. ecografias, cirurgias), deixa de ser capaz de sentir as forças que está a exercer. Uma das formas de combater esse problema é através da inclusão de um sensor de força no robô. Contudo, a inclusão de mais um sensor pode ser problemática, sendo, por isso, importante encontrar um método alternativo para estimar as forças. Este trabalho apresenta dois métodos usados para estimar as forças provenientes do contacto de um manipulador robótico com uma superfície. Para o primeiro método, é utilizado apenas o modelo dinâmico do robô e, para o segundo, é utilizado o método dos resíduos. O foco passa por descobrir se algum deste métodos poderá, eventualmente, substituir o sensor de força.De forma a ter a melhor estimação da força possível, é necessário um conhecimento exacto do modelo dinâmico do robô. Inicialmente em ambiente virtual, e, posteriormente, no robô real, são obtidas as forças envolvidas durante o contacto do robô com uma parede/superfície virtual. As forças exercidas na parede virtual pelo robô são comparadas com as estimadas através dos dois métodos acima referidos.Para permitir que, na realização dos testes, a interacção do robô com o meio envolvente seja o mais estável e controlada possível, foi desenvolvido um controlo de impedância. Para a obtenção dos dados, em termos de simulação, utilizou-se um simulador, para representar o robô Wam 7DOF e, durante os testes, foram alterados alguns parâmetros, tais como a rigidez da parede virtual, os ganhos dos filtros a que os dois métodos recorrem, as posições da parede virtual e as fricções do robô, de forma a testar o desempenho dos métodos. De notar que, todos estes teste foram previamente realizados em MATLAB, no ambiente de simulação Simulink, de forma comprovar o seu bom funcionamento. Foram, ainda, obtidos dados através da realização dos mesmos testes, anteriormente referidos, no robô real, onde foram comparadas as forças envolvidas na colisão com a mesma parede virtual, usando o robô real e o robô do simulador. Por fim, foram obtidas as forças usando directamente o sensor de força presente no robô real e feita uma análise desses resultados.

The presence of robotics is increasingly notorious in today's society. This presence is clearer in the industry, but there are many new fields in which robots have gained a certain importance.One of these is the medical field, in which, ultimately, robots have been appearing in increasing numbers, bringing benefits not only for the patients, helping their recovery, but also for the physicians, aiding in multiple procedures. However, when a physician uses a robot for procedures that involve physical contact (e.g. ultrasound, surgery), he loses the ability to feel the forces he exerts. One of the ways to combat this problem is through the implementation of force sensors. However, the implementation of more sensors can be problematic, making it of the upmost importance to find alternative methods to measure force.This thesis presents two methods used to estimate forces resultant of contact between a robotic manipulator and a surface. For the first method, only the dynamic model of the robot is used and, for the second, we use the residue method. The focus is to discover if any of these has the ability to, eventually, replace a force sensor. To have the best possible force estimate, it is necessary to know the exact dynamic model of the robot.Initially in a virtual environment, and later, on the actual robot, we obtained the resulting forces of a contact between the robot and a wall/virtual surface. The resulting forces exerted on the virtual wall by the robot are then compared to the estimates resulting of the two methods previously mentioned. To allow that, while the tests are being run, the interaction of the robot with its surroundings is as stable and controlled as possible, an impedance control was developed.To gather data, in the simulation environment, a simulator was used, to represent the Wam 7D0F robot, and during testing, some parameters where adjusted, such as the rigidity of the virtual wall, the filter gains to which the two methods resorted to, the position of the virtual wall and the friction of the robot, to test the performance of the two methods. It is noteworthy that, all the tests were performed in MATLAB, in the Simulink simulation environment, in the attempt to validate their good results. Additional data was also retrieved through the same tests in the actual robot, in which the forces of the collision with the same virtual wall were compared, using the real robot and the simulated robot. Finally, the direct data of the forces using the sensor embedded in the real robot was retrieved and the data was later analysed.