Force and Visual Servoing (PDF, 910Kb, 32 σελίδες) - Εθνικό ...
Force and Visual Servoing (PDF, 910Kb, 32 σελίδες) - Εθνικό ...
Force and Visual Servoing (PDF, 910Kb, 32 σελίδες) - Εθνικό ...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχ/κών και Μηχ/κών Υπολογιστών,<br />
Ε.Μ.Π., Ακαδημαϊκό Έτος 2010-11, 8ο Εξάμηνο<br />
Ρομποτική II<br />
Ευφυή και Επιδέξια Ρομποτικά Συστήματα<br />
Κων/νος Τζαφέστας<br />
Τομέας Σημάτων, Ελέγχου & Ρομποτικής<br />
Σχολή Ηλεκτρ. Μηχ/κών & Μηχ/κών Υπολ., Ε.Μ.Π.<br />
Τηλ.: 210 772-3687, (Κτήριο Ηλεκτρ., Γραφείο 21.11)<br />
Email: ktzaf@cs.ntua.gr<br />
Web: http://www.softlab.ntua.gr/~ktzaf/<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Περιεχόμενα Μαθήματος<br />
• ΕΝΟΤΗΤΑ-1: Επιδέξιος Ρομποτικός Χειρισμός<br />
– Έλεγχος Ρομπότ με πλεονάζοντες β.ε. (redundant robots)<br />
– Έλεγχος «Αλληλεπίδρασης» με το περιβάλλον<br />
• Έλεγχος Δύναμης / Σύνθετης Μηχανικής Αντίστασης<br />
• Έλεγχος Οπτικής Οδήγησης<br />
– Μοντελοποίηση και έλεγχος επιδέξιας «ρομποτικής λαβής»<br />
(Συνεργαζόμενα ρομπότ, Ρομποτικά χέρια)<br />
• ΕΝΟΤΗΤΑ-2: Κινούμενα Ρομπότ<br />
– Αρχιτεκτονικές Ελέγχου Κινούμενων Ρομπότ<br />
– Σχεδιασμός δρόμου – Αποφυγή εμποδίων<br />
– Σύνθεση αισθητηρίων πληροφοριών<br />
• Σύνθετοι ρομποτικοί χειριστές - Εφαρμογές<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
1<br />
2
Ε.Μ.Π., ΣΗΜΜΥ, Ακαδημαϊκό Έτος 2010-11, 8ο Εξάμηνο<br />
Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ. Διδάσκων: Κ.Τζαφέστας<br />
Έλεγχος «Αλληλεπίδρασης»<br />
με το Περιβάλλον<br />
• Έλεγχος Δύναμης – Έλεγχος «Εμπέδησης»<br />
• Έλεγχος «Οπτικής Οδήγησης»<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Ε.Μ.Π., ΣΗΜΜΥ, Ακαδημαϊκό Έτος 2010-11, 8ο Εξάμηνο<br />
Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ. Διδάσκων: Κ.Τζαφέστας<br />
Ρομποτικός Έλεγχος Δύναμης /<br />
Εμπέδησης (Σύνθετης Μηχανικής<br />
Αντίστασης / Συμμόρφωσης)<br />
(<strong>Force</strong> / Impedance / Compliance Robot Control)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
3<br />
4
Ρομποτικός Έλεγχος Δύναμης -<br />
Εισαγωγή<br />
• Έλεγχος μηχανικής εμπέδησης (impedance control)<br />
– Passive impedance – Remote center of compliance (RCC)<br />
(εργαλεία παθητικής «συμμόρφωσης»)<br />
– Active Impedance – Active stiffness control<br />
(έλεγχος «ενεργούς σύνθετης μηχανικής αντίστασης»)<br />
• Έλεγχος δύναμης (force control)<br />
• Υβριδικός έλεγχος δύναμης/θέσης<br />
(hybrid force/motion control)<br />
• Παραδείγματα - Προσομοίωση<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Μέθοδος Παθητικής Συμμόρφωσης<br />
(passive compliance)<br />
Μηχανικά εργαλεία παθητικής συμμόρφωσης<br />
Remote Center of Compliance (RCC)<br />
Αρχή λειτουργίας RCC<br />
(α) συμμόρφωση σε οριζόντια δύναμη<br />
(β) συμμόρφωση σε ροπή<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
5<br />
6
Μέθοδος Παθητικής Συμμόρφωσης<br />
(συνέχεια) (1)<br />
RCC 3 διαστάσεων<br />
Βασική Σχέση:<br />
f = [f x , f y , f z , N x , N y , N z ]<br />
ε = [ε x , ε y , ε z , α x , α y , α z ]<br />
K =<br />
f = Κ · ε<br />
Κsoft 0<br />
Κsoft Κhard Κsoft Κsoft 0 Κ soft<br />
: εξωτερική δύναμη/ροπή<br />
: μηχανική παραμόρφωση<br />
(strain)<br />
K : μήτρα μηχανικής σκληρότητας («ακαμψίας»)<br />
(stiffness matrix)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Μέθοδος Παθητικής Συμμόρφωσης<br />
(συνέχεια) (2)<br />
Μηχανικά εργαλεία παθητικής συμμόρφωσης<br />
Remote Center of Compliance (RCC)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
7<br />
8
Μέθοδος Παθητικής Συμμόρφωσης<br />
(συνέχεια) (3)<br />
Εργαλεία παθητικής συμμόρφωσης σε ρομποτικές<br />
εργασίες συναρμολόγησης (peg-in-hole tasks)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Ρομποτικοί Αισθητήρες Δύναμης<br />
(force sensors)<br />
Αισθητήρας δύναμης: Κατάλληλη μηχατρονική διάταξη<br />
αισθητήρων ελαστικής (μηχανικής) παραμόρφωσης<br />
(strain gauges – strain/deformation transducers)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
9<br />
10
Μετρητές μηχανικής παραμόρφωσης<br />
(strain gauge transducers)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Έλεγχος ενεργούς εμπέδησης<br />
(active-impedance control)<br />
Απλό παράδειγμα 1 β.ε.<br />
⋅ + ⋅ + ( − ) =<br />
( ) ( ) ( )<br />
d d d d d d d<br />
Δυναμικό μοντέλο συστήματος:<br />
mx + bx + kx= f + F<br />
a a a u<br />
ma, ba, ka: δυναμικές παράμετροι συστήματος<br />
f u : ελεγκτής<br />
F : εξωτερική δύναμη<br />
Επιθυμητή μηχανική εμπέδηση (desired impedance):<br />
md x bd x kd x xd F ή πληρέστερα:<br />
m x − x + b x − x + k x − x = F −F<br />
k d<br />
b d<br />
-Fd md F<br />
F : δύναμη ασκούμενη από το εξωτερικό<br />
περιβάλλον πάνω στο σύστημα<br />
0<br />
x xd Fd : επιθυμητή δύναμη η οποία θέλουμε τελικά<br />
να ασκείται από το εξωτερικό περιβάλλον<br />
πάνω στο σύστημα<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
11<br />
m d, b d, k d: επιθυμητές<br />
δυναμικές παράμετροι<br />
«κλειστού βρόχου»<br />
συστήματος<br />
(μοντέλο αναφοράς)<br />
12
Έλεγχος ενεργούς εμπέδησης:<br />
Απλό παράδειγμα 1 β.ε.<br />
mx + bx + kx= f + F<br />
a a a u<br />
( ) ( ) ( )<br />
: Δυναμικό μοντέλο συστήματος<br />
md xd − x + bd xd − x + kd xd − x = Fd −F<br />
(2)<br />
( ω0= kd m ,<br />
d<br />
ζ =<br />
2<br />
bd<br />
mk d d<br />
)<br />
: Επιθυμητή μηχανική εμπέδηση<br />
(desired impedance)<br />
(επιθυμητή συμπεριφορά κλειστού βρόχου)<br />
: ιδιοσυχνότητα<br />
Ελεγκτής ενεργούς μηχανικής εμπέδησης:<br />
f = mu+ bx + kx−F u a a a<br />
(3)<br />
(1)<br />
⇒ u= x<br />
(1)<br />
: συντελεστής απόσβεσης<br />
: εξίσωση κλειστού βρόχου<br />
( ) ( ) ( )<br />
−1<br />
u= xd + md ⎡⎣bd xd − x + kd xd −x − Fd −F<br />
⎤⎦<br />
(3)<br />
(όπου u σήμα ελέγχου)<br />
Για να επιτύχουμε την επιθυμητή συμπεριφορά (2), έχουμε για το u:<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Έλεγχος ενεργούς εμπέδησης:<br />
Απλό παράδειγμα 1 β.ε. (συνέχεια) (1)<br />
Ο νόμος ελέγχου μηχανικής αντίστασης (3) και (4), γράφεται ουσιαστικά ως:<br />
m m m<br />
f = mx + b x − x + k x −x− F −F<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
(4)<br />
( ) ( ) ( )<br />
a a a<br />
u a d d<br />
md + bx a+ kx a −F<br />
d<br />
e x<br />
md d d<br />
ex md<br />
d<br />
eF<br />
ή άλλως:<br />
όπου:<br />
K V K P λ m<br />
( ) ( ) ( )<br />
f = mx + bx+ kx + K x − x + K x − x + K F<br />
u a d a a V d P d F<br />
(όταν F d=0)<br />
K = λ −1(<br />
λ m = ( ma md)<br />
) K = λ b και K = λ k<br />
F m<br />
V m d<br />
P m d<br />
Παρατήρηση: Το κέρδος ανάδρασης δύναμης K F (K F≠0) επιτρέπει τη μεταβολή των<br />
«αδρανειακών» χαρακτηριστικών του συστήματος (λ m≠1) στο κλειστό βρόχο<br />
13<br />
14
k d<br />
b d<br />
(2)<br />
⇒<br />
(5)<br />
Έλεγχος ενεργούς εμπέδησης:<br />
Απλό παράδειγμα 1 β.ε. (συνέχεια) (2)<br />
m d<br />
x c<br />
x<br />
F<br />
k c<br />
b c<br />
Δυναμική εξίσωση “εξωτερικού περιβάλλοντος”:<br />
b x− x + k x− x =−F<br />
(5)<br />
( ) ( )<br />
c c c c<br />
( ) ( ) ( )<br />
E<br />
d d d d d d d<br />
Επαφή με εξωτερικό περιβάλλον E<br />
k c : σκληρότητα<br />
b c : απόσβεση<br />
x c : θέσης ισορροπίας<br />
Δυναμική εξίσωση (2) κλειστού βρόχου συστήματος {M, b, k, f u }<br />
(μηχανική αντίσταση συστήματος που επιτυγχάνεται με τον ελεγκτή f u ):<br />
m x − x + b x − x + k x − x = F −F<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Έλεγχος ενεργούς εμπέδησης:<br />
Απλό παράδειγμα 1 β.ε. (συνέχεια) (3)<br />
Δυναμική συμπεριφορά τελικού κλειστού συστήματος {M, b, k, f u }<br />
σε επαφή με το εξωτερικό περιβάλλον Ε (k c , b c , x c ):<br />
( ) ( ) ( )<br />
( )<br />
mx + b + b x + k + k x= mx + bx + bx<br />
d d c d c d d d d c c<br />
kd+ kc bd+ bc<br />
ω′ 0 = m , ζ′<br />
=<br />
d 2 md<br />
( kd+ kc)<br />
: ιδιοσυχνότητα : συντελεστής απόσβεσης<br />
+ kx d d + kx c c −Fd<br />
Δύναμη πάνω στο σύστημα από το εξωτερικό περιβάλλον εργασίας,<br />
= →∞ = −<br />
στην τελική (μόνιμη) κατάσταση (t∞): Fef F( t ) kc( xcxf) όπου xf : τελική θέση συστήματος x<br />
( kdxd+ kcxc) = x( t→∞ ) = − 1 F<br />
Άρα:<br />
( )<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
( kd+ kc) ( kd+ kc)<br />
15<br />
f d<br />
kk k<br />
ef d<br />
d c<br />
c<br />
F = F t→∞ =<br />
( )<br />
( xc − xd)<br />
+ F<br />
kd+ kc ( kd+ kc)<br />
16
Έλεγχος ενεργούς μηχανικής εμπέδησης<br />
ρομποτικού χειριστή - Γενικά<br />
Γενική Περίπτωση (ρομποτικός χειριστής)<br />
(a) Σύστημα ελέγχου (ροπές τ i )<br />
με ανάδραση δύναμης F<br />
(και θέσης y)<br />
(b) Μηχανική αντίσταση που<br />
θέλουμε να επιτύχουμε μέσω<br />
του ρομποτικού ελεγκτή ενεργούς<br />
μηχανικής εμπέδησης<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Δυναμική ρομποτικού χειριστή (1)<br />
Δυναμικό μοντέλο ρομποτικού χειριστή (υπενθύμιση):<br />
T<br />
M( q) ⋅ q + h( q, q) = τ + J F<br />
(στο χώρο των γενικευμένων μεταβλητών q i των αρθρώσεων)<br />
όπου Μ: μήτρα αδρανείας ρομπότ (συχνά συμβολίζεται και ως D(q))<br />
h: όροι Coriolis και φυγοκέντρου δυνάμεως<br />
τ: ροπές (γενικευμένες μεταβλητές δράσης) στις αρθρώσεις<br />
F e: εξωτερική δύναμη που ασκείται από το εξωτερικό περιβάλλον<br />
και J : Ιακωβιανή μήτρα του ρομπότ<br />
Μοντέλο Lagrange :<br />
Μοντέλο Newton-Euler :<br />
τ =<br />
i<br />
d<br />
dt<br />
⎛ ⎞<br />
⎜∂K⎟ K P<br />
⎜ ⎟−<br />
∂ + ∂<br />
⎜∂qi ⎟ ∂qi ∂q<br />
⎝ ⎠<br />
i<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
e<br />
(Δ1)<br />
∑ fi = mv i ci<br />
∑ Ni = I <br />
ciωi+ ωi× ( Iciωi)<br />
K: κινητική ενέργεια<br />
P: δυναμική ενέργεια<br />
17<br />
18
Δυναμική ρομποτικού χειριστή (2)<br />
Δυναμικό μοντέλο ρομποτικού χειριστή στο χώρο εργασίας (task-space):<br />
* *<br />
M ⋅ p+ h = F + F (Δ2-α)<br />
όπου M * : μήτρα αδρανείας ρομπότ στο χώρο εργασίας,<br />
h * : όροι Coriolis και φυγοκέντρου δυνάμεως στο χώρο εργασίας,<br />
Fa: (τ=JTFa) γενικευμένη δύναμη στο χώρο εργασίας οφειλόμενη<br />
στη δράση των κινητήριων στοιχείων του ρομπότ,<br />
Fe: εξωτερική δύναμη που ασκείται από το εξωτερικό περιβάλλον.<br />
Έχουμε: = J⋅ ⇒ = J⋅ J⋅ <br />
p q p q+ q<br />
T T<br />
και (Δ1): M⋅ q + h= J Fa + J Fe −1 −1<br />
T<br />
⇔ q + M h= M J Fa + Fe<br />
⇔<br />
−1 −1<br />
T<br />
Jq + JM h= JM J F + F<br />
Επομένως τελικά:<br />
και<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
a<br />
− − T<br />
με ( )<br />
* −1<br />
*<br />
( M J M ) M J <br />
= = ⋅ ⋅<br />
*<br />
h = ⋅ ⋅ h− ⋅ ⋅q<br />
* 1 1<br />
M Q Q J M J<br />
e<br />
( a e)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
( )<br />
(Δ2-β)<br />
Δυναμικός έλεγχος ενεργούς μηχανικής<br />
εμπέδησης ρομποτικού χειριστή (1)<br />
Επιθυμητή μηχανική εμπέδηση (desired impedance) ρομποτικού χειριστή<br />
στο χώρο εργασίας (επιθυμητή δυναμική συμπεριφορά κλειστού βρόχου)<br />
M p − p + B p − p + K p − p = F −F<br />
(Ε1)<br />
( ) ( ) ( )<br />
d d d d d d d e<br />
Δυναμική εξίσωση ρομποτικού χειριστή στο χώρο εργασίας (Δ2-α):<br />
* *<br />
M ⋅ p+ h = F + F<br />
a<br />
e<br />
Δυναμικός ελεγκτής ενεργούς εμπέδησης:<br />
(βασισμένος στη μεθοδολογία ελέγχου υπολογιζόμενης ροπής (computed-torque control)<br />
T<br />
τ<br />
= J ⋅ Fa<br />
F = M ⋅ u+ h −F<br />
* *<br />
a e<br />
(Ε2)<br />
( u= p : εξίσωση κλειστού βρόχου )<br />
με το σήμα ελέγχου u να δίνεται από τη σχέση (ώστε στο κλειστό βρόχο να έχουμε την (Ε1))<br />
( ) ( ) ( )<br />
−1<br />
u= pd + Md ⎡⎣Bd pd − p + Kd<br />
pd − p − Fd −Fe<br />
⎤⎦<br />
(Ε3)<br />
σφάλμα ταχύτητας<br />
σφάλμα θέσης<br />
σφάλμα δύναμης<br />
19<br />
20
p d<br />
pd<br />
p d<br />
F<br />
Δυναμικός έλεγχος ενεργούς μηχανικής<br />
εμπέδησης ρομποτικού χειριστή (2)<br />
p d<br />
pd<br />
p d<br />
F<br />
d<br />
e p<br />
+<br />
x<br />
- + e p<br />
x<br />
- +<br />
x<br />
-<br />
K d<br />
eF<br />
B d<br />
ανάδραση δύναμης<br />
ανάδραση ταχύτητας<br />
ανάδραση θέσης<br />
Δυναμικός<br />
Ελεγκτής<br />
(Ε2),(E3)<br />
τ Ρομποτικός<br />
Χειριστής<br />
(Δ2)<br />
ανάδραση δύναμης<br />
ανάδραση ταχύτητας<br />
ανάδραση θέσης<br />
Σχηματικό διάγραμμα (block-diagram)<br />
δυναμικού ρομποτικού ελεγκτή ενεργούς μηχανικής<br />
αντίστασης<br />
(υπολογιζόμενης ροπής)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Δυναμικός έλεγχος ενεργούς μηχανικής<br />
εμπέδησης ρομποτικού χειριστή (3)<br />
d<br />
e p<br />
+<br />
x<br />
- + e p<br />
x<br />
- +<br />
x<br />
-<br />
(task-space)<br />
K d<br />
eF<br />
B d<br />
ανάδραση δύναμης<br />
ανάδραση ταχύτητας<br />
ανάδραση θέσης<br />
+<br />
+<br />
-<br />
J( q )<br />
Γ(q)<br />
Ρομποτικό Μοντέλο: M * ,h *<br />
*<br />
h( q, q<br />
)<br />
*<br />
M( q )<br />
+<br />
+<br />
+<br />
-<br />
Ρομποτικός<br />
Χειριστής<br />
(Δ2)<br />
ανάδραση δύναμης<br />
ανάδραση ταχύτητας<br />
(joint space)<br />
ανάδραση θέσης<br />
Σχηματικό διάγραμμα (block-diagram)<br />
δυναμικού ρομποτικού ελεγκτή ενεργούς εμπέδησης<br />
(impedance control)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
*<br />
MM<br />
−1<br />
d<br />
τ<br />
p<br />
p<br />
F<br />
21<br />
22<br />
e<br />
q<br />
q<br />
F<br />
e
p<br />
p<br />
Δυναμικός έλεγχος ενεργούς μηχανικής<br />
εμπέδησης ρομποτικού χειριστή (4)<br />
d<br />
p d<br />
F<br />
d<br />
d<br />
(task-space)<br />
Έλεγχος<br />
Εμπέδησης<br />
(Ε3)<br />
ανάδραση δύναμης<br />
ανάδραση ταχύτητας<br />
ανάδραση θέσης<br />
u Αντίστροφη<br />
Δυναμική<br />
(Ε2)<br />
J( q )<br />
Γ(q)<br />
Ευθεία κινηματική<br />
Ρομποτικό Μοντέλο: M * ,h *<br />
Ρομποτικός<br />
Χειριστής<br />
(Δ2)<br />
ανάδραση δύναμης<br />
ανάδραση ταχύτητας<br />
(joint space)<br />
ανάδραση θέσης<br />
Γενική δομή ρομποτικού ελεγκτή εμπέδησης<br />
(impedance control)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Απλοποιημένος έλεγχος ενεργούς μηχανικής<br />
ακαμψίας (stiffness) ρομποτικού χειριστή<br />
Θεωρούμε: M * =I και h * =0<br />
οπότε ο ελεγκτής (Ε2)-(Ε3) μπορεί να γραφεί:<br />
τ<br />
( )<br />
J ⎡⎣ p B eK e K e F ⎤⎦<br />
T<br />
= ⋅ d + d p + d p − Fd F − e<br />
όπου: e = p − p και e = F −F<br />
p d F d e<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
τ<br />
(Ε4)<br />
Εαν επιπλέον Fd=0 και KFd = I, καθώς και Βd = 0, pd = 0,<br />
τότε η (Ε4) γράφεται:<br />
K qd<br />
(Ε5)<br />
τ = J ⋅K ⋅ e = J ⋅K ⋅J⋅e T T<br />
d p d q<br />
όπου:<br />
και ονομάζεται active-stiffness control, όπου:<br />
eq = qd − q<br />
K d : μήτρα «ακαμψίας» (stiffness matrix) ορισμένη στο χώρο εργασίας<br />
K qd = J T K d J : ισοδύναμη μήτρα «ακαμψίας» στο χώρο αρθρώσεων<br />
q<br />
q<br />
F<br />
23<br />
24<br />
e
Έλεγχος δύναμης για ρομποτικό χειριστή<br />
(<strong>Force</strong> control) - Εισαγωγή<br />
ενεργός μηχανική<br />
αντίσταση ρομπότ<br />
K d<br />
B d<br />
Δύναμη πάνω στο ρομποτικό χειριστή<br />
από το εξωτερικό περιβάλλον εργασίας,<br />
στην τελική (μόνιμη) κατάσταση (t∞):<br />
( t ) K ( )<br />
F = F →∞ = p −p<br />
ef e e e f<br />
όπου pf : τελική θέση (στη μόνιμη κατάσταση) του στοιχείου δράσης του ρομπότ<br />
p = p t →∞ = K + K<br />
−1<br />
K p + K p −F<br />
Άρα:<br />
M d<br />
Fe pe εξωτερικό περιβάλλον<br />
p<br />
p d<br />
K e<br />
B e<br />
( ) [ ] ( )<br />
f d e d d e e d<br />
−1<br />
( t ) K ( K K ) K ( )<br />
Fef = Fe→∞ = e d + e ⎡⎣ d pe− pd+ Fd⎤⎦<br />
Βασική αρχή:<br />
Στον έλεγχο δύναμης θέτουμε: Kd =0 ⇒ Fef = Fe (t→∞) = Fd (δηλαδή δε λαμβάνουμε υπ’όψη στον έλεγχο το σφάλμα θέσης)<br />
E<br />
σφάλμα<br />
θέσης<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
επιθυμητή<br />
δύναμη<br />
Έλεγχος δύναμης ρομποτικού χειριστή<br />
Ρομποτικός έλεγχος δύναμης βασισμένος στο μοντέλο (υπολογιζόμενης ροπής):<br />
T<br />
τ = J ⋅Fa<br />
* *<br />
Fa = M ⋅ u+ h −Fe<br />
(F1)<br />
(computed torque)<br />
( u= p : εξίσωση κλειστού βρόχου )<br />
με το σήμα ελέγχου u να δίνεται από τη σχέση (ώστε στο κλειστό βρόχο να έχουμε την (Ε1))<br />
( ) ( )<br />
u= M ⎡⎣−B p − F − F ⎤⎦=−K<br />
p −K F −F<br />
−1<br />
d d d e Bd Fd d e<br />
ανάδραση<br />
ταχύτητας<br />
ανάδραση<br />
δύναμης<br />
Σε σύγκριση με το δυναμικό ελεγκτή ενεργούς εμπέδησης (impedance control),<br />
στον έλεγχο δύναμης (force control) θέτουμε Kd =0 , δηλαδή:<br />
«Ακαμψία» του συστήματος ελέγχου του ρομποτικού χειριστή = μηδέν<br />
(μηδενική φαινόμενη «ακαμψία» -apparent stiffness- στο χώρο εργασίας)<br />
Με άλλα λόγια δεν έχουμε ανάδραση σφάλματος θέσης παρά μόνο<br />
ανάδραση σφάλματος δύναμης (και ταχύτητας για ευστάθεια),<br />
οπότε τελικά: ⇒ Fef = Fe (t→∞) → Fd (επιθυμητή δύναμη)<br />
(F2)<br />
25<br />
26
Fd<br />
x<br />
+ -<br />
eF<br />
Άμεσος Έλεγχος δύναμης (1)<br />
(direct force control)<br />
K F<br />
pF p<br />
x<br />
+<br />
e<br />
-<br />
K P<br />
-<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
u<br />
Δυναμική<br />
συστήματος<br />
−1<br />
x M<br />
x<br />
d ∫ ∫ +<br />
Bd<br />
p<br />
Περιβάλλον<br />
p<br />
p p -<br />
Άμεσος Έλεγχος Δύναμης με εσωτερικό βρόχο θέσης<br />
Άμεσος Έλεγχος δύναμης (2)<br />
(direct force control)<br />
Άμεσος Έλεγχος Δύναμης με εσωτερικό βρόχο θέσης (συνέχεια)<br />
( )<br />
( )<br />
u = KP⋅ pF − p −Bd ⋅ p<br />
p = K F −F<br />
F F d e<br />
M ⋅ p= u<br />
d<br />
( )<br />
F = K p− p<br />
e e e<br />
( )<br />
M d ⋅ p+ Bd ⋅ p+ KP⋅ p=<br />
= KPKF ( Fd − Fe)<br />
∧<br />
( / )<br />
p = F K + p<br />
e e e<br />
⇒ M ⋅ F + B ⋅ F + K I + K K F = K K K F<br />
Δυναμική Εξίσωση κλειστού βρόχου<br />
d e d e P e F e P e F d<br />
Proportional (P) <strong>Force</strong>‐Control: K = K = const.<br />
F FP<br />
Proportional‐Integral (PI) <strong>Force</strong>‐Control:<br />
F = FP + FI∫(<br />
) t<br />
Μηδενικό μόνιμο σφάλμα δύναμης eF K K K . dτ<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Ke<br />
e<br />
Fe<br />
27<br />
28
Fd<br />
x<br />
+ -<br />
Άμεσος Έλεγχος δύναμης (3)<br />
(direct force control)<br />
p<br />
eF F<br />
K F<br />
K P<br />
-<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
u<br />
M<br />
Δυναμική<br />
συστήματος<br />
−1<br />
x ∫ ∫ x<br />
d<br />
Bd<br />
p<br />
Περιβάλλον<br />
p<br />
p p -<br />
Άμεσος Έλεγχος Δύναμης με εσωτερικό βρόχο ταχύτητας<br />
⇒ M ⋅ F + B ⋅ F + K K K F = K K K F<br />
d e d e P e F e P e F d<br />
Δυναμική Εξίσωση κλειστού βρόχου<br />
P και PI force controller: Μηδενικό μόνιμο σφάλμα δύναμης eF Υβριδικός έλεγχος δύναμης/τροχιάς<br />
ρομποτικού χειριστή (hybrid control)<br />
Βασική Αρχή<br />
έλεγχος δύναμης<br />
έλεγχος θέσης<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
+<br />
Ke<br />
e<br />
Fe<br />
Διαφορετικός τύπος ελέγχου σε<br />
διαφορετικές κατευθύνσεις στο<br />
χώρο εργασίας:<br />
Έλεγχος θέσης / δύναμης /<br />
ενεργούς μηχανικής εμπέδησης /...<br />
κλπ.<br />
ανάλογα με την υπο-εργασία<br />
29<br />
30
Υβριδικός έλεγχος δύναμης/τροχιάς<br />
ρομποτικού χειριστή (συνέχεια) (1)<br />
Παραδείγματα μηχανικών εργασιών που απαιτούν την<br />
εφαρμογή υβριδικού ελέγχου δύναμης/θέσης<br />
(σε διαφορετικούς άξονες στο χώρο του τελικού στοιχείου δράσης)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Υβριδικός έλεγχος δύναμης/τροχιάς<br />
ρομποτικού χειριστή (συνέχεια) (2)<br />
Βασικό σχήμα υβριδικού ελέγχου δύναμης/τροχιάς (1)<br />
Επιθυμητή<br />
Τροχιά +<br />
Εντολή κατεύθυνσης<br />
ελέγχου {s i } (i=1,..,n)<br />
Επιθυμητή<br />
Δύναμη<br />
S=diag[s i ]<br />
+<br />
-<br />
-<br />
Μετασχηματισμοί<br />
Συντεταγμένων<br />
[S]<br />
[I] – [S]<br />
Μετασχηματισμοί<br />
Συντεταγμένων<br />
s i =1 έλεγχος τροχιάς<br />
s i =0 έλεγχος δύναμης<br />
0<br />
⎡ c ⎤<br />
⎣<br />
R<br />
⎦<br />
0<br />
⎡ c ⎤<br />
⎣<br />
R<br />
⎦<br />
0<br />
⎡ c ⎤<br />
⎣<br />
R<br />
⎦<br />
0<br />
⎡ c ⎤<br />
⎣<br />
R<br />
⎦<br />
Έλεγχος<br />
Τροχιάς<br />
+<br />
+<br />
Έλεγχος<br />
Δύναμης<br />
Αισθητήρες<br />
Θέσης<br />
Ρομποτικός<br />
Χειριστής<br />
Αισθητήρας<br />
Δύναμης<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
T<br />
T<br />
Θέση<br />
31<br />
Δύναμη<br />
<strong>32</strong>
Υβριδικός έλεγχος δύναμης/τροχιάς<br />
ρομποτικού χειριστή (συνέχεια) (3)<br />
Βασικό σχήμα υβριδικού ελέγχου δύναμης/τροχιάς (2)<br />
Επιθυμητή<br />
Τροχιά +<br />
Εντολή κατεύθυνσης<br />
ελέγχου {s i } (i=1,..,n)<br />
1<br />
Επιθυμητή<br />
Δύναμη<br />
y 0<br />
S=diag[s i ]<br />
+<br />
-<br />
-<br />
Μετασχηματισμοί<br />
Συντεταγμένων<br />
Έλεγχος<br />
Τροχιάς<br />
Έλεγχος<br />
Δύναμης<br />
u<br />
u<br />
( c )<br />
p<br />
( c )<br />
F<br />
Μετασχηματισμοί<br />
Συντεταγμένων<br />
s i =1 έλεγχος τροχιάς<br />
s i =0 έλεγχος δύναμης<br />
0<br />
⎡ c ⎤<br />
⎣<br />
R<br />
⎦<br />
[S]<br />
[I] – [S]<br />
0<br />
⎡ c ⎤<br />
⎣<br />
R<br />
⎦<br />
Αισθητήρες<br />
Θέσης<br />
Αισθητήρας<br />
Δύναμης<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
T<br />
T<br />
0<br />
⎡ c ⎤<br />
⎣<br />
R<br />
⎦ ανάστροφη<br />
δυναμική<br />
+ u τ<br />
D·(.)+h Ρομπότ<br />
+<br />
0<br />
⎡ c ⎤<br />
⎣<br />
R<br />
⎦<br />
Ρομποτικός έλεγχος εμπέδησης –<br />
Παράδειγμα R-R 2D (1)<br />
2 βαθμοί ελευθ.<br />
2D, επίπεδο<br />
l 1<br />
lc1 m1,I1 O0 y 1<br />
O 1<br />
q 1<br />
m2,I2 lc2 q2 x 0<br />
2<br />
yΕ OΕ x 1<br />
xΕ θ<br />
Δυναμικό μοντέλο Lagrange :<br />
τ =<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
i<br />
d<br />
dt<br />
⎛ ⎞<br />
⎜∂K⎟ K P<br />
⎜ ⎟−<br />
∂ + ∂<br />
⎜∂qi ⎟ ∂qi ∂q<br />
⎝ ⎠<br />
i<br />
K = ml q Iq<br />
1<br />
1<br />
2<br />
2 1<br />
1 c1<br />
1 +<br />
2<br />
2<br />
1 1<br />
= 1 1ˆc1 1 ( s1 sin(<br />
q1)<br />
)<br />
P mgl s =<br />
K = mvv I q + q<br />
2<br />
1 T<br />
+ 1 ⎛ ⎞<br />
2 2 c2 c2<br />
2⎜ 1 2⎟<br />
⎝ ⎠<br />
2 2<br />
P = mgls ˆ + l s s q q<br />
⎝<br />
c<br />
⎠<br />
όπου: vc2= d ( p<br />
dt c2)<br />
⎡ lsq l s ⎛qq⎞⎤ ⎢− ⎡ ⎤<br />
1 1 − 1 c2<br />
12⎜ + 1 2⎟⎥<br />
⎝ ⎠<br />
⎢lc 1 1+ lc2c ⇒ v<br />
12⎥<br />
c2<br />
= ⎢ ⎥<br />
και: pc2<br />
=<br />
⎢<br />
⎢ ⎥<br />
lcq l c ⎛qq⎞ ⎥<br />
⎢<br />
⎢ls+ l s ⎥<br />
1 1 + 1 c2<br />
12⎜ + 1 2⎟<br />
⎥<br />
⎣ ⎝ ⎠ ⎦<br />
⎣ 1 1 c2<br />
12⎦<br />
⎛ ⎞<br />
2 2 ⎜ 1 1 2 12⎟ ( 12 = sin ( 1+ 2 ) )<br />
Θέση<br />
Δύναμη<br />
33<br />
K: κινητική ενέργεια<br />
P: δυναμική ενέργεια<br />
1ος σύνδεσμος<br />
2ος σύνδεσμος<br />
34
Άρα:<br />
Ρομποτικός έλεγχος εμπέδησης –<br />
Παράδειγμα R-R 2D (2)<br />
T<br />
c2c2 ⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
lsq 1 11lc2s ⎛<br />
12 ⎜q ⎝ 1<br />
2<br />
⎤ q ⎞<br />
2 ⎟⎥ ⎠⎦ ⎡<br />
⎢lcq 1 1 ⎣<br />
1 lc2c ⎛<br />
12 ⎜q ⎝ 1<br />
2<br />
⎤ q<br />
⎞<br />
2 ⎟⎥<br />
⎠⎦<br />
T<br />
c2 2 2 2 2 2<br />
2<br />
= lsq l s q q 2llssqq<br />
q<br />
c2 1 1 + ⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
1 c2 12⎜ + 1 2⎟ + 1 c2<br />
1 121⎜ + 1 2⎟<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
2 2 2 2 2<br />
2<br />
+ lcq 1 1 1+ lc2c ⎛<br />
12 q1 q ⎞<br />
⎜ + 2⎟<br />
+ 2ll<br />
⎝ ⎠ 1 c2cc<br />
1 12q ⎛<br />
1⎜q ⎝ 1 q<br />
⎞<br />
2⎟<br />
⎠<br />
T<br />
c2 2 2 2<br />
2<br />
= lq 2<br />
c2 1 + l ⎛qq ⎞ llcq ⎛qq ⎞<br />
1 c2⎜ + 1 2⎟ + 1 c2<br />
21⎜ + 1 2⎟<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
vv<br />
vv<br />
vv<br />
=− − + + + + ⇒<br />
+ ⇒<br />
• K ml q Iq I q q m l q l q q ll c 2q<br />
q<br />
q ∂ = + + + + + + + + <br />
∂ <br />
1<br />
2<br />
1 c1 1 1 1<br />
⎛<br />
2⎜ ⎝ 1<br />
⎞<br />
2⎟ ⎠<br />
⎡ 2<br />
2⎢1 ⎣<br />
1<br />
2 ⎛<br />
c2⎜ ⎝ 1<br />
⎞<br />
2⎟ ⎠ 1 c2<br />
⎛<br />
2⎜ ⎝ 1<br />
⎞⎤<br />
2⎟⎥<br />
⎠⎦<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟ ml q Iq I ⎛q q ⎞<br />
1 c11<br />
11 2⎜1 2⎟<br />
⎟<br />
⎝ ⎠<br />
1 ⎟<br />
⎠ ⎡ 2 2<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎤<br />
+ m2 l1q1 l ⎛<br />
c2 q1 q ⎞<br />
⎢ + ⎜ + 2⎟ + ll 1 c2c2⎜2q1+ q2⎟− ll 1 c2s2⎜2q1+<br />
q2⎟q2⎥ ⎣ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎦<br />
d<br />
dt K q<br />
• ∂ ∂ = + + +<br />
•<br />
∂P∂ ∂q ∂q<br />
= mgl ˆ s+ mgˆ ls+ l s = mgl ˆ c+ mgˆ lc+ l c<br />
1 1<br />
...<br />
Τελικά:<br />
⎡ ⎛ ⎞⎤ ⎛ ⎞<br />
⎢ 1 c1 1 2 ⎜ 1 1 c2 12⎟⎥ 1 c1 1 2 ⎜ 1 1 c2<br />
12⎟<br />
⎣ ⎝ ⎠⎦ ⎝ ⎠<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Ρομποτικός έλεγχος εμπέδησης –<br />
Παράδειγμα R-R 2D (3)<br />
Ρομποτικό Δυναμικό Μοντέλο 2D Χειριστή 2 β.ε.<br />
• = I + ml + I + m l + l + 2ll<br />
c q+ I + m l + ll c q<br />
τ1 ⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
1<br />
2<br />
1 c1 2<br />
⎛ 2<br />
2⎜ ⎝<br />
1<br />
2<br />
c2 1 c2 ⎞⎤ 2⎟⎥ ⎠<br />
1<br />
⎦<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
2<br />
⎛ 2<br />
2⎜ ⎝<br />
c2 1 c2<br />
⎞⎤<br />
2⎟⎥ ⎠<br />
2<br />
⎦<br />
⎛ mll s 2qq q2⎞ ⎛ ⎞<br />
− mgl 21c22⎜ + 1 2 2⎟+<br />
1ˆ c+ mg c112ˆ⎜lc+ l c<br />
1 1 c212⎟<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
⎡ ⎛ 2 ⎞⎤ ⎡ 2 ⎤<br />
τ 2<br />
2 ⎢I2 ml 2⎜ c2 llc 1 c2 2⎟⎥q1 ⎢I2 ml 2 c2⎥q2 mllsq 2 1 c2 21 mglc 2ˆ ⎝ ⎠ ⎣ ⎦<br />
c2<br />
12<br />
⎣ ⎦<br />
• = + + + + + +<br />
τ = M q 2<br />
1 11 + M q 2<br />
1 12 + h q h qq g<br />
2 122 + +<br />
2 112 1 2<br />
1<br />
τ = M q 2<br />
2 21 + M q h q g<br />
1 22 + +<br />
2 211 1 2<br />
όπου: 2 2 2<br />
M11 = I1+ ml 1 c1+ I2+ m2( l1+ lc2+ 2ll<br />
1 c2c2)<br />
2<br />
M12 = M21 = I2+ m2( lc2+ ll 1 c2c2)<br />
M22 = I2+ ml 2<br />
h122 = h112 =− h211 =−mll<br />
2 1 c2s2<br />
g1= m1gl ˆ c1c1+ mg 2ˆ( lc 1 1+ lc2c12) g2= m2gl ˆ c2c12<br />
Δηλαδή:<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
2<br />
c2<br />
35<br />
36
Είναι:<br />
Θέτουμε:<br />
Ρομποτικός έλεγχος εμπέδησης –<br />
Παράδειγμα R-R 2D (4)<br />
M=<br />
M M<br />
=<br />
h<br />
=<br />
h q + 2h<br />
qq + g<br />
⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ 2<br />
⎤<br />
⎢ 11 12 ⎥ ⎢ 1⎥ ⎢ 122 2 112 1 2 1⎥<br />
⎢ ⎥ h ⎢ ⎥ ⎢ ⎥<br />
⎢M M ⎥ ⎢ 2<br />
21 22 h ⎥ ⎢ h q g ⎥<br />
⎣ ⎦ ⎣ 2⎦ ⎣ 211 + 1 2 ⎦<br />
− − T<br />
με ( )<br />
* −1<br />
*<br />
( M J M ) M J <br />
* 1 1<br />
M = Q Q= J⋅M ⋅J<br />
*<br />
h = ⋅ ⋅ h− ⋅ ⋅q<br />
Ρομποτικός Ελεγκτής Ενεργούς Μηχανικής Εμπέδησης (υπολογιζόμενης ροπής)<br />
με<br />
τ = J F 1 11 ax + J F 21 ay και τ = J F 2 12 ax + J F 22 ay<br />
F = Mu+ Mu+ h−F και F * * *<br />
= Mu+ Mu+ h−F * * *<br />
ax 11 1 12 2 1 ex<br />
όπου, θέτοντας:<br />
−1 −1 −1<br />
B′ d = Md Bd, K′ d = Md Kd και Μ′ d = M d<br />
με: ep= pd − p και eF = Fd −Fe<br />
έχουμε:<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
(J: Ιακωβιανή μήτρα)<br />
ay 21 1 22 2 2 ey<br />
[ ′ ′ ′ ′ ′ ′ ]<br />
[ ′ ′ ′ ′ ′ ′ ]<br />
u = p + B e+ B e+ K e + K e −M e −M<br />
e<br />
1 dx d , xx px d , xy py d , xx px d , xy py d , xx Fx d , xy Fy<br />
u = p + B e+ B e+ K e + K e −M e −M<br />
e<br />
2 dy d , yx px d , yy py d , yx px d , yy py d , yx Fx d , yy Fy<br />
Ε.Μ.Π., ΣΗΜΜΥ, Ακαδημαϊκό Έτος 2010-11, 8ο Εξάμηνο<br />
Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ. Διδάσκων: Κ.Τζαφέστας<br />
Ρομποτικός Έλεγχος Δύναμης /<br />
Εμπέδησης<br />
(Παράδειγμα Εφαρμογής)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
37<br />
38
Δυναμικός έλεγχος ενεργούς<br />
εμπέδησης ρομποτικού χειριστή<br />
Επιθυμητή μηχανική εμπέδηση (desired impedance) ρομποτικού χειριστή<br />
στο χώρο εργασίας (επιθυμητή δυναμική συμπεριφορά κλειστού βρόχου)<br />
( ) ( ) ( )<br />
M p − p + B p − p + K p − p = F −F<br />
d d d d d d d e<br />
Δυναμική εξίσωση ρομποτικού χειριστή στο χώρο εργασίας (Δ2-α):<br />
⋅ p+ h = F + F<br />
* *<br />
M <br />
a<br />
e<br />
Δυναμικός ελεγκτής ενεργούς εμπέδησης:<br />
(βασισμένος στη μεθοδολογία ελέγχου υπολογισμένης ροπής (computed-torque control)<br />
T<br />
τ = J ⋅ Fa<br />
(Ε2) ( u= p : εξίσωση κλειστού βρόχου )<br />
* *<br />
F = M ⋅ u+ h −F<br />
a e<br />
με το σήμα ελέγχου u να δίνεται από τη σχέση (ώστε στο κλειστό βρόχο να έχουμε την (Ε1))<br />
( ) ( ) ( )<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
(Ε1)<br />
−1<br />
u= pd + Md ⎡⎣Bd pd − p + Kd<br />
pd − p − Fd −Fe<br />
⎤⎦<br />
(Ε3)<br />
σφάλμα ταχύτητας<br />
σφάλμα θέσης<br />
σφάλμα δύναμης<br />
Έλεγχος δύναμης ρομποτικού χειριστή<br />
Ρομποτικός έλεγχος δύναμης βασισμένος στο μοντέλο:<br />
T<br />
τ = J ⋅Fa<br />
F = M ⋅ u+ h −F<br />
* *<br />
a e<br />
(F1)<br />
( u= p : εξίσωση κλειστού βρόχου )<br />
με το σήμα ελέγχου u να δίνεται από τη σχέση (ώστε στο κλειστό βρόχο να έχουμε την (Ε1))<br />
( ) ( )<br />
u= M ⎡⎣−B p − F − F ⎤⎦=−K<br />
p −K F −F<br />
−1<br />
d d d e Bd Fd d e<br />
ανάδραση<br />
ταχύτητας<br />
ανάδραση<br />
δύναμης<br />
Σε σύγκριση με το δυναμικό ελεγκτή ενεργούς εμπέδησης (impedance control),<br />
στον έλεγχο δύναμης (force control) θέτουμε K d =0 , δηλαδή:<br />
«Ακαμψία» του συστήματος ελέγχου του ρομποτικού χειριστή = μηδέν<br />
(μηδενική φαινόμενη «ακαμψία» -apparent stiffness- στο χώρο εργασίας)<br />
Με άλλα λόγια δεν έχουμε ανάδραση σφάλματος θέσης παρά μόνο<br />
ανάδραση σφάλματος δύναμης (και ταχύτητας για ευστάθεια),<br />
οπότε τελικά: ⇒ F ef = F e (t→∞) → F d (επιθυμητή δύναμη)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
(F2)<br />
39<br />
40
1<br />
Έλεγχος δύναμης ρομποτικού χειριστή –<br />
Παράδειγμα R-R 2D (1)<br />
2 βαθμοί ελευθ.<br />
2D, επίπεδο<br />
y 0<br />
l 1<br />
lc1 m1,I1 O0 y 1<br />
O 1<br />
q 1<br />
m2,I2 lc2 q2 x 0<br />
2<br />
yΕ OΕ x 1<br />
xΕ θ<br />
Ρομποτικό δυναμικό μοντέλο:<br />
τ = M q + M q + h q+ 2h<br />
qq + g<br />
2<br />
1 11 1 12 2 122 2 112 1 2 1<br />
τ = M q + M q + h q+ g<br />
2<br />
2 21 1 22 2 211 1 2<br />
όπου:<br />
M = I + ml + I + m l + l + ll c<br />
M22 = I2+ ml2<br />
2 c2<br />
2<br />
M12 = M21 = I2+ m2( lc2+ ll 1 c2c2)<br />
h122 = h112 =− h211 =−mll<br />
2 1 c2s2<br />
g1= mgl 1ˆ c1c1+ mg 2ˆ( lc 1 1+ lc2c12) g = mgl ˆ c<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
( 2 )<br />
2 2 2<br />
11 1 1 c1221c21c22 2 2 c2<br />
12<br />
Έλεγχος δύναμης ρομποτικού χειριστή -<br />
Παράδειγμα R-R 2D (2)<br />
Ρομποτικό Δυναμικό Μοντέλο ρομπότ 2 β.ε. (στο χώρο αρθρώσεων)<br />
με:<br />
T<br />
τ = M( q) ⋅ q + h( q, q) −J<br />
F<br />
M=<br />
M M<br />
=<br />
h<br />
=<br />
h q + 2h<br />
qq + g<br />
⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ 2<br />
⎤<br />
⎢ 11 12 ⎥ ⎢ 1⎥ ⎢ 122 2 112 1 2 1⎥<br />
⎢ ⎥ h ⎢ ⎥ ⎢ ⎥<br />
⎢M M ⎥ ⎢ 2<br />
21 22 h ⎥ ⎢ h q g ⎥<br />
⎣ ⎦ 2 211 +<br />
⎣ ⎦ ⎣ 1 2 ⎦<br />
Ρομποτικό Δυναμικό Μοντέλο ρομπότ 2 β.ε. στο χώρο δράσης (task-space)<br />
J Fa<br />
T<br />
= ⋅<br />
τ και:<br />
*<br />
F = M ⋅ p+ h −F<br />
*<br />
a e<br />
− − T<br />
με ( )<br />
* −1<br />
*<br />
( M J M ) M J <br />
* 1 1<br />
M = Q Q= J⋅M ⋅J<br />
όπου:<br />
*<br />
h = ⋅ ⋅ h− ⋅ ⋅q<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
e<br />
(J: Ιακωβιανή μήτρα)<br />
41<br />
42
y (cm)<br />
Ρομποτικός έλεγχος συμμόρφωσης -<br />
Παράδειγμα R-R 2dof - Αποτελέσματα (1)<br />
y (cm)<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
-2<br />
-4<br />
-6<br />
-8<br />
-10<br />
0 5 10<br />
x (cm)<br />
15 20<br />
-2<br />
0 0.5 1<br />
time t (sec)<br />
1.5 2<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Fex,Fey (grf)<br />
Ελεγκτής τροχιάς υπολογιζόμενης ροπής (στο χώρο των αρθρώσεων)<br />
(joint-space trajectory computed-torque controller)<br />
τ = M( q) ⋅ u+ h( q, q)<br />
u= qd + ⎡⎣ Bd ( qd − q) + Kd<br />
( qd −q)<br />
⎤⎦<br />
2.5<br />
2<br />
1.5<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
-0.5<br />
-1<br />
-1.5<br />
σφάλμα ταχύτητας<br />
x 104<br />
3<br />
σφάλμα θέσης<br />
Ρομποτικός έλεγχος συμμόρφωσης -<br />
Παράδειγμα R-R 2dof - Αποτελέσματα (2)<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
-2<br />
-4<br />
-6<br />
-8<br />
-10<br />
0 5 10<br />
x (cm)<br />
15 20<br />
-6000<br />
0 0.5 1<br />
time t (sec)<br />
1.5 2<br />
Ελεγκτής ενεργούς μηχανικής εμπέδησης (στο χώρο εργασίας)<br />
(task-space active impedance controller)<br />
T<br />
* *<br />
τ<br />
= J ⋅FaFa<br />
= M ⋅ u+ h −Fe<br />
−1<br />
u= pd + Md ⎡⎣Bd ( pd − p) + Kd<br />
( pd − p) −( Fd −Fe)<br />
⎤⎦<br />
σφάλμα ταχύτητας<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Fex,Fey (grf)<br />
8000<br />
6000<br />
4000<br />
2000<br />
0<br />
-2000<br />
-4000<br />
σφάλμα θέσης<br />
σφάλμα δύναμης<br />
43<br />
44
y (cm)<br />
Ρομποτικός έλεγχος συμμόρφωσης -<br />
Παράδειγμα R-R 2dof - Αποτελέσματα (3)<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
-2<br />
-4<br />
-6<br />
-8<br />
-10<br />
O<br />
y<br />
x<br />
x c<br />
O c<br />
yc<br />
0 5 10<br />
x (cm)<br />
15 20<br />
0<br />
0 0.5 1<br />
time t (sec)<br />
1.5 2<br />
Υβριδικός έλεγχος δύναμης / εμπέδησης (στο χώρο εργασίας)<br />
(task-space hybrid force/impedance robot manipulation control)<br />
τ<br />
Έστω RO-xyz, το γενικό πλαίσιο του χώρου εργασίας, και<br />
Rc-xcyczc το τοπικό πλαίσιο αναφοράς στο σημείο επαφής<br />
O<br />
R c η μήτρα στροφής του τοπικού πλαισίου αναφοράς Rc ως προς το RΟ T<br />
= ⋅<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Υβριδικός ρομποτικός έλεγχος<br />
δύναμης / τροχιάς - Παράδειγμα<br />
Υβριδικός ρομποτικός έλεγχος δύναμης / τροχιάς βασισμένος<br />
στη δομή του δυναμικού ελέγχου ενεργούς εμπέδησης<br />
J Fa<br />
F = M ⋅ u+ h −F<br />
* *<br />
a e<br />
( c) ( c) ( c) −1<br />
( c) ( c) ( c) ( c) ( c) ( c)<br />
= d + ⎡Md ⎤ Bd p + Kd<br />
p − d − e<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Fey (task-space) (grf)<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
45<br />
O<br />
⎡⎣Rc⎤⎦ ( c)<br />
( Fe O ( c)<br />
= ⎡<br />
⎣Rc⎤ ⎦Fe<br />
)<br />
( )<br />
u= ⋅u<br />
u p ⎣ ⎦<br />
⎡<br />
⎣<br />
e e F F ⎤<br />
⎦<br />
( c) O<br />
T<br />
O<br />
T<br />
ep = ⎡⎣Rc⎤⎦ ⋅ ep = ⎡⎣Rc⎤⎦ ( pd − p)<br />
και<br />
( c) O<br />
T<br />
⎡⎣R ⎤⎦ O<br />
T<br />
⎡⎣R ⎤⎦<br />
( c)<br />
Για το Kd<br />
( c)<br />
μπορούμε να θέσουμε: Kd = S⋅Kd όπου η μήτρα Kd επιλέγεται κανονικά για έλεγχο εμπέδησης, ενώ<br />
η μήτρα S (selection matrix) είναι στο συγκεκριμένο παράδειγμα S=diag[sx ,sy ]<br />
όπου ep = c ⋅ ep = c ( pd − p)<br />
με s x (,s y ) = 0, για έλεγχο δύναμης στον άξονα x c (y c )<br />
1, για έλεγχο τροχιάς στον άξονα x c (y c )<br />
( ή γενικά s x (,s y ) στο διάστημα [0,1] )<br />
46
Ε.Μ.Π., ΣΗΜΜΥ, Ακαδημαϊκό Έτος 2010-11, 8ο Εξάμηνο<br />
Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ. Διδάσκων: Κ.Τζαφέστας<br />
Ρομποτικός Έλεγχος<br />
Οπτικής Οδήγησης<br />
(Robot <strong>Visual</strong> <strong>Servoing</strong>)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Διατάξεις Οπτικού Συστήματος<br />
Camera Placement Configurations<br />
R 0 e R c e<br />
R e t<br />
R<br />
“eye-in-h<strong>and</strong>” (‘h<strong>and</strong>-eye’) διάταξη “fixed camera” (‘static-eye’) διάταξη<br />
0 c<br />
R c R<br />
t 0 t<br />
Κάμερα προασαρτημένη στο τελικό Κάμερα σταθερά τοποθετημένη<br />
εργαλείο δράσης του ρομπότ<br />
στο περιβάλλον εργασίας<br />
Πλαίσια Αναφοράς<br />
(0): βάση ρομπότ, (e): end-effector, (c): camera, (t): target/task (αντικείμενο/εργασία)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
47<br />
48
Αρχιτεκτονικές Ελέγχου Οπτικής Οδήγησης<br />
(c) pd +<br />
1. Οπτική οδήγηση – Έλεγχος θέσης/τροχιάς ρομπότ<br />
a. Ιεραρχικός έλεγχος (look-<strong>and</strong>-move) (οπτικό σύστημα<br />
παρέχει σήματα αναφοράς σε ρομποτικό ελεγκτή αρθρώσεων)<br />
b. Απ’ευθείας έλεγχος αρθρώσεων (direct visual servo)<br />
2. Πλαίσιο αναφοράς για σφάλμα ελέγχου<br />
a. Έλεγχος βασισμένος στη θέση (position-based):<br />
σφάλμα ορισμένο σε κάποιο Καρτεσιανό πλαίσιο αναφοράς<br />
b. Έλεγχος βασισμένος στην εικόνα (image-based):<br />
σφάλμα ορισμένο στο χώρο των οπτικών χαρακτηριστικών<br />
(feature space)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Αρχιτεκτονικές Ελέγχου (συνέχεια) (1/4)<br />
-<br />
(c)<br />
pˆ<br />
Καρτεσιανός<br />
Νόμος Ελέγχου<br />
Cartesian-space<br />
control law<br />
q d<br />
Εκτίμηση Θέσης<br />
(pose estimation)<br />
Ελεγκτές αρθρώσεων<br />
(joint controllers)<br />
Ενισχυτές<br />
(power amplifiers)<br />
Ανάδραση q – αισθητήρες αρθρώσεων<br />
f<br />
Εξαγωγή Οπτικών<br />
Χαρακτηριστικών<br />
(feature extraction)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Εικόνα (video)<br />
“Position-based” / “look-<strong>and</strong>-move”<br />
Aρχιτεκτονική ‘Βασισμένου στη Θέση’ / ‘Ιεραρχικού’ Ελέγχου<br />
τ<br />
49<br />
50
f d<br />
Αρχιτεκτονικές Ελέγχου (συνέχεια) (2/4)<br />
+<br />
-<br />
(c) pd +<br />
Νόμος Ελέγχου<br />
Οπτικών Χαρακτηριστικών<br />
Feature-space<br />
control law<br />
q d<br />
Ελεγκτές αρθρώσεων<br />
(joint controllers)<br />
Ενισχυτές<br />
(power amplifiers)<br />
Ανάδραση q – αισθητήρες αρθρώσεων<br />
f<br />
Εξαγωγή Οπτικών<br />
Χαρακτηριστικών<br />
(feature extraction)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Εικόνα (video)<br />
“Image-based” / “look-<strong>and</strong>-move”<br />
Aρχιτεκτονική ‘Βασισμένου στην Εικόνα’ / ‘Ιεραρχικού’ Ελέγχου<br />
Αρχιτεκτονικές Ελέγχου (συνέχεια) (3/4)<br />
-<br />
(c)<br />
pˆ<br />
Καρτεσιανός<br />
Νόμος Ελέγχου<br />
Cartesian-space<br />
control law<br />
τ<br />
Εκτίμηση Θέσης<br />
(pose estimation)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
τ<br />
Ελεγκτές αρθρώσεων<br />
(joint controllers)<br />
f<br />
Ενισχυτές<br />
(power amplifiers)<br />
Εξαγωγή Οπτικών<br />
Χαρακτηριστικών<br />
(feature extraction)<br />
Εικόνα (video)<br />
“Position-based” / “direct” visual servo<br />
Aρχιτεκτονική ‘Βασισμένου στη Θέση’ / ‘Αμέσου’ Ελέγχου<br />
51<br />
52
f d<br />
Αρχιτεκτονικές Ελέγχου (συνέχεια) (4/4)<br />
+<br />
-<br />
Νόμος Ελέγχου<br />
Οπτικών Χαρακτηριστικών<br />
Feature-space<br />
control law<br />
τ<br />
Ελεγκτές αρθρώσεων<br />
(joint controllers)<br />
f<br />
Ενισχυτές<br />
(power amplifiers)<br />
Εξαγωγή Οπτικών<br />
Χαρακτηριστικών<br />
(feature extraction)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Εικόνα (video)<br />
“Image-based” / “direct” visual servo<br />
Aρχιτεκτονική ‘Βασισμένου στην Εικόνα’ / ‘Αμέσου’ Ελέγχου<br />
Έλεγχος με βάση τη θέση (1/2)<br />
Position-Based <strong>Visual</strong> Servo Control<br />
Οπτικά χαρακτηριστικά εξάγονται από την εικόνα και χρησιμοποιούνται<br />
για την εκτίμηση της «θέσης» του «στόχου» (target pose) ως προς την<br />
κάμερα ...<br />
Συνάρτηση Κινηματικού Σφάλματος : E(p e)=0<br />
where p e: robot (end-effector) pose<br />
E(.): T m , where T : robot workspace (robot poses)<br />
Γενικά: T ⊆ SE3 = 3 ×SO3 <strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
53<br />
54
Έλεγχος με βάση τη θέση (2/2)<br />
Position-Based <strong>Visual</strong> Servo Control (cont’d)<br />
Σημείο-προς-Σημείο (point-to-point positioning):<br />
Τοποθέτηση σημείου p του ρομποτικού εργαλείου, με<br />
end-effector coordinates p (e) , σε επιθυμητή θέση pd 0 ( e)<br />
Epp = Pd−Ae⋅P Έστω: T =<br />
0 ( ) 0 ( )<br />
Static-eye: ˆ ˆ c ˆ e<br />
u3= K ⋅⎡⎣Ac⋅Pd −Ae⋅P ⎤⎦<br />
3 u3=K·Epp •<br />
Συνάρτηση κινηματικού<br />
σφάλματος<br />
•<br />
H<strong>and</strong>-eye:<br />
ˆ e<br />
A c<br />
( )<br />
ˆ c<br />
pd<br />
βαθμονόμηση κάμερας<br />
κινηματική ρομπότ<br />
( e) ˆ e ˆ( c) ( e) ˆ e ˆ( c) ˆ(<br />
c)<br />
u3= K⋅⎡⎣Ac⋅Pd − P ⎤⎦= K⋅Ac⋅⎡⎣Pd<br />
−P<br />
⎤⎦<br />
σφάλμα ανεξάρτητο κινηματικής ρομπότ<br />
: βαθμονόμηση κάμερας (τοποθέτηση ως προς ρομποτικό εργαλείο)<br />
: παρατηρήσεις στόχου μέσω της κάμερας (camera observations)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Σήμα Καρτεσιανού<br />
ελέγχου (επιθυμητή μεταβολή<br />
θέσης ρομποτικού εργαλείου)<br />
Έλεγχος με βάση την εικόνα (1/8)<br />
Image-Based <strong>Visual</strong> Servo Control<br />
Camera Projection Models<br />
Y<br />
Μοντέλο Προοπτικής Προβολής<br />
X<br />
viewpoint<br />
f=(u,v)<br />
λ<br />
P=(x,y,z)<br />
Z<br />
αντικείμενο<br />
(Perspective Projection)<br />
⎡u⎤ x<br />
π ( xyz , , )<br />
λ ⎡ ⎤<br />
= ⎢ ⎥= v z ⎢ ⎥<br />
⎣ ⎦ ⎣y⎦ λ: εστιακή απόσταση<br />
(focal length)<br />
image plane<br />
Μοντέλο Ορθογραφικής Προβολής<br />
(Orthographic Projection)<br />
⎡⎤ u ⎡⎤ x<br />
oxyz ( , , ) = ⎢⎥= σ ⎢⎥<br />
⎣⎦ v ⎣⎦ y (σ: fixed scale)<br />
(ειδική περίπτωση)<br />
Μοντέλο Αφινικής Προβολής<br />
(Affine Projection)<br />
⎡u⎤ u ( c)<br />
⎡ 0⎤<br />
⎢ ⎥= A⋅ P + ⎢ ⎥ (A: 2x3)<br />
⎣v⎦ ⎣v ⎦<br />
0<br />
55<br />
56
Έλεγχος με βάση την εικόνα (2/8)<br />
Image-Based <strong>Visual</strong> Servo Control (cont’d)<br />
Image Jacobian («Ιακωβιανή Μήτρα Εικόνας»)<br />
f = J ( p) ⋅p<br />
J<br />
c<br />
c<br />
f: feature vector (k×1), π.χ.: f=[u 1 ,v 1 , …, u n ,v n ] T<br />
J: (k×m) Ιακωβιανή Εικόνας<br />
⎡∂f1 ∂p1 ∂f1 ∂pm⎤<br />
⎡∂f ⎢ ⎥<br />
= ⎤=<br />
⎢<br />
<br />
⎢⎣∂p⎥⎦ ⎥<br />
⎢<br />
⎣∂f∂p ∂f ∂p<br />
⎥<br />
⎦<br />
k 1<br />
k m<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
( n=(k/2) σημεία )<br />
Έλεγχος με βάση την εικόνα (3/8)<br />
Image-Based <strong>Visual</strong> Servo Control / «Eye-in-H<strong>and</strong>»<br />
Παράδειγμα εξαγωγής Ιακωβιανής Μήτρας Εικόνας<br />
R c<br />
P<br />
P<br />
(c)<br />
vz<br />
x = zωy − ωz<br />
+ Vx<br />
λ<br />
uz<br />
y= ωz − zωx + Vy<br />
λ<br />
z<br />
z= ( vω − uω ) + V<br />
λ<br />
x y z<br />
[ x y z]<br />
[ x y z]<br />
• Έστω:<br />
( c)<br />
P =<br />
⇒ P = = × P + V<br />
∧<br />
Τ<br />
( c) Τ ( c) ( c) ( c)<br />
Ωe<br />
e<br />
⎧ λ ⎫ ⎧ λ λ ⎫<br />
⎪<br />
u = x⋅ u x x z 2<br />
z⎪ ⎪<br />
= ⋅ − ⋅ ⋅<br />
⎪ ⎪ ⎪ z z ⎪<br />
⎨ ⎬⇒⎨ ⎬<br />
⎪ λ λ λ<br />
v = y⋅ ⎪ ⎪v= ⋅y− ⋅y⋅z⎪ 2<br />
⎩⎪z⎭⎪ ⎩⎪ z z ⎭⎪<br />
57<br />
58
Έλεγχος με βάση την εικόνα (4/8)<br />
Παράδειγμα εξαγωγής Ιακωβιανής Μήτρας Εικόνας (συνέχεια)<br />
2 2<br />
λ u uv λ + u<br />
u= Vx− Vz − ωx + ωy −vωz<br />
z z λ λ<br />
2 2<br />
λ u −λ−v uv<br />
v= Vy − Vz + ωx + ωy + uωz<br />
z z λ λ<br />
⎡Vx ⎤<br />
⎢ 2 2 V<br />
⎥<br />
⎡λ u uv λ + u ⎤ y<br />
0 − − −v<br />
⎢ ⎥<br />
⎡u⎤ ⎢<br />
z z λ λ<br />
⎥⎢Vz⎥ f<br />
= ⎢ 2 2<br />
v<br />
⎥ = ⎢ ⎥⎢⎥<br />
⎣⎦ ⎢ λ u −λ −v<br />
uv ⎥ ωx<br />
0<br />
u ⎢ ⎥<br />
⎢<br />
−<br />
⎣ z z λ λ ⎥⎦⎢ω⎥ y<br />
⎢ ⎥<br />
⎣ωz ⎦<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
Έλεγχος με βάση την εικόνα (5/8)<br />
Για κίνηση σε επίπεδο:<br />
και για περισσότερα (n) χαρακτηριστικά<br />
(σημεία) στην εικόνα, παίρνουμε για τη<br />
χρονική μεταβολή του διανύσματος<br />
χαρακτηριστικών :<br />
⎡λ⎤ 0 −v<br />
⎡Vx ⎤<br />
⎡u⎤ ⎢Z⎥⎢ V<br />
⎥<br />
⎢ y<br />
v<br />
⎥= ⎢ ⎥<br />
⎣⎦ λ ⎢ ⎥<br />
⎢0u⎥ ⎢<br />
⎢ωz ⎥<br />
⎣ Z ⎥⎦⎣⎦<br />
⎡ λ ⎤<br />
0 −v<br />
⎢ 1<br />
Z ⎥<br />
1<br />
⎢ ⎥<br />
⎡u1⎤ ⎢ λ ⎥<br />
0 u1<br />
v<br />
1<br />
1<br />
⎢ ⎥ ⎢ Z ⎥ Vx<br />
⎢ ⎥<br />
⎡ ⎤<br />
⎢ ⎥<br />
f<br />
= ⎢ ⎥ =<br />
⎢<br />
V<br />
⎥<br />
⎢ ⎥ y<br />
⎢ ⎥<br />
⎢ ⎥<br />
u<br />
⎢<br />
n λ ⎥<br />
⎢<br />
<br />
⎥<br />
⎢ωz ⎥<br />
⎢ 0 −v<br />
⎥⎣⎦<br />
n<br />
⎢⎣v⎥ Z<br />
n ⎦ ⎢ n ⎥<br />
⎢ λ ⎥<br />
⎢ 0 u ⎥ n<br />
⎢⎣ Zn<br />
⎥⎦<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
J<br />
c<br />
59<br />
60
Έλεγχος με βάση την εικόνα (6/8)<br />
Image-Based <strong>Visual</strong> Servo Control (cont’d)<br />
Έλεγχος Οπτικής Οδήγησης Επίλυση Συστήματος:<br />
(Ιακωβιανή κάμερας J: k × m)<br />
ΣχετικήΚίνησηΣτόχου– Κάμερας <br />
Επιθυμητή Κίνηση της Κάμερας (ρομποτικού εργαλείου)<br />
• Εαν<br />
−1<br />
= : =J (c)<br />
p f<br />
k m<br />
Εαν τώρα: k ≠ m, rank( J)<br />
= min( k, m)<br />
+ +<br />
k < m:<br />
= J + ( I−J J)<br />
⋅<br />
(c)<br />
• Εαν p f c<br />
όπου<br />
+<br />
• Εαν k > m:<br />
=J όπου J = ( J J) J<br />
(c)<br />
p f<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
= J ⋅ (c)<br />
f p<br />
(c)<br />
p<br />
J = J ( JJ )<br />
+ T T −1<br />
+ T −1<br />
T<br />
Έλεγχος με βάση την εικόνα (7/8)<br />
Καρτεσιανός Έλεγχος Επιλυμένης Ταχύτητας (resolved rate)<br />
u =−K ⋅ p<br />
Έστω:<br />
(c) (c)<br />
(1) Σήμα καρτεσιανού ελέγχου ρομπότ<br />
(επιθυμητή κίνηση ρομποτικού εργαλείου)<br />
ε =Δ f = ( fd−f ) (2)<br />
όπου fd<br />
το επιθυμητό διάνυσμα χαρακτηριστικού<br />
Στόχος του ελεγκτή ασυμπτωτικήμείωσησφάλματοςε:<br />
Από (2) ⇒<br />
(3)<br />
ε =−f ⇔ f = K ⋅ε<br />
(4)<br />
+<br />
Αλλά, ως γνωστόν, έχουμε: = Jc (c)<br />
p f ⇒ (4)<br />
(c)<br />
K +<br />
(c)<br />
u = − ⋅J⋅ε Νόμος Ελέγχου: c<br />
K +<br />
p = ⋅J⋅ε c<br />
ε= −K⋅ε 61<br />
(3)<br />
62
Έλεγχος με βάση την εικόνα (8/8)<br />
Image-Based <strong>Visual</strong> Servo Control (cont’d)<br />
Πρόβλεψη κίνησης – Παρακολούθηση χαρακτηριστικών στην εικόνα<br />
(«παράθυρο» πρόβλεψης για αναζήτηση/παρακολούθηση χαρακτηριστικών)<br />
ft+ h= ft−h⋅Jc( p) ⋅u<br />
(h=Δt)<br />
Κατάστρωση εξισώσεων στο χώρο κατάστασης<br />
Προβλήματα «ιχνηλάτησης» στόχου –<br />
βέλτιστη εκτίμησης (π.χ. Φίλτρο Kalman, ... )<br />
<strong>Εθνικό</strong> Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Σχολή ΗΜ&ΜΥ. Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ (K.Τζαφέστας)<br />
63