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Diseño de Sistema de Control para Robot Hexápodo.

Demo
by

Juan Silva

on 11 June 2011

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Transcript of Diseño de Sistema de Control para Robot Hexápodo.

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

SISTEMA DE CONTROL PARA ROBOT HEXAPODO

JORGE MAURICIO ESCOBAR OLARTE
JUAN DAVID SILVA ORTEGA

BOGOTA 2011 Objetivos.
Motivacion.
Descripacion de la plataforma.
Modelamiento.
Validación.
Estrategia de movimiento.
Implementacion.
Pruebas.
Conclusiones. Diseñar e Implementar un sistema de control jerárquico para un robot Hexápodo.


1.Obtener un modelo de las extremidades del robot con fines de diseño del control de las mismas.

2.Diseñar e implementar un sistema de control para las extremidades.

3.Diseñar e implementar un sistema de control maestro que incluya comunicaciones y abierto a futuras aplicaciones.

4.Validar el sistema de control programando al menos una estrategia de movimiento sobre la plataforma.

5.Elaborar un documento manual para ayudar a futuros usuarios a programar la plataforma para aplicaciones particulares. DESCRIPCION DE LA PLATAFORMA. Estado inicial. Estado final. TIPO DE ARQUITECTURA: TIPO DE GENRACIÓN: ESTANDARES: GRADOS DE LIBERTAD: TIPO DE ACTUADOR: TRANSMISORES: TIPO DE CONTROL: VOLUMEN DE TRABAJO: CONFIGURACIÓN FISICA: Hitec hs300 standar. Motor Hobbico.
Cs-60 TowerPro SG-5010. Arduino basado en C++ y Java. ESTRATEGIA DE MOVIMIENTO. Analisis de Estabilidad. Secuencia de movimiento para tripod. Polígono de estabilidad sobre la plataforma. Análisis de las regiones del polígono de estabilidad. Debido a que el sistema cuenta con pocos grados de libertad, en principio se considero al método geométrico como principal herramienta para modelar la plataforma. DESCRIPCIÓN CINEMATICA DE LA PLATAFORMA. yout: Distancia total en el desplazamiento vertical de la extremidad. Theta: Angulo del servomotor inferior(encargado del movimiento vertical de la extremidad). Fi: Angulo del servomotor superior(encargado del movimiento angular de la extremidad). Datos obtenidos para el análisis del modelo geométrico. Grafica del modelo obtenido de la cinemática directa método geométrico. VALIDACION DEL MODELO. Comparación del modelo obtenido y los datos tomados mediante mediciones. Validación de modelo para las extremidades. Superposicion (Real VS Modelo matematico). ALGORITMO FUZZY C-MEANS. HARDWARE Y SOFTWARE DE CONTROL. Descripción general configuración tarjeta madre. Plataforma Hexápodo con sus respectivas placas de control. (Estructura completa). Arquitectura maestro-esclavo. Diagrama de órdenes para el maestro y esclavo. MAESTRO. ESCLAVOS. PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN. Diagrama de bloques protocolo de comunicación, Red en anillo. Trama de orden de la estructura. Rutinas de comunicación entre esclavo y maestro. PRUEBAS DE CALIDAD Y DESEMPEÑO. Para validar la eficiencia sobre la estrategia de movimiento, se propone a través de mediciones de velocidad de la plataforma, realizar una comparación entre la rutina de desplazamiento lento y rápido. Muestreo de velocidad (Izq. Desplazamiento lento – Der desplazamiento rápido). Comparación velocidad de ejecución de rutina. Pruebas funcionales: CONCLUSIONES Como la plataforma se encontraba en un estado de abandono y deterioro debido a la falta de mantenimiento y uso, tuvo como consecuencia la pérdida de las propiedades mecánicas de la misma junto con el hecho de que al faltarle una extremidad y al ser su principal material (PVC expandido) difícil de conseguir se opto por la búsqueda de un material con características similares al PVC y así ensamblar la extremidad faltante a partir de un material diferente (acrílico).

La elaboración de un modelo óptimo del sistema no radica únicamente en el análisis matemático, las propiedades de los materiales, desgaste e interacción de las mismas, representan variaciones significativas a la hora de caracterizar el sistema, agregando un componente extra de complejidad al momento de modelar la plataforma, toda variación presentada sobre la configuración de las partes en las extremidades, implican un cambio en la caracterización de las mismas.
Como la plataforma contaba con nueve servos de una marca con referencia descontinuada, debido a que los restantes (doce servos en total) se encontraban extraviados al momento de realizar este trabajo se vio la necesidad de adquirir dos nuevos servos de diferente marca. A pesar de que la homogeneidad entre componentes electrónicos de un mismo tipo es imposible (debido a las propiedades de los componentes en un dispositivo electrónico), se considera de vital importancia hacer que la brecha de diferencias entre componentes sea mínima, es decir, si se requiere un numero n de componentes de una sola clase, en aras de realizar un trabajo en conjunto (servomotores del Hexápodo) es de preferir que estos componentes sean de una misma marca.
En base a lo enunciado anteriormente se encontró que el principal problema de tener servos diferentes y unos con menos tiempo de uso radica en que la fuerza reflejada en el torque de salida difieren teniendo como consecuencia perdidas del movimiento total de la plataforma.
El uso de los módulos ARDUINO con fines pedagógicos fortalece las habilidades de los estudiantes al momento de desarrollar soluciones de software, también promueven las buenas prácticas de programación y permiten al estudiante enfocarse en el mejoramiento y optimización del software, en aras de mejorar su calidad.
La implementación tanto en software como hardware de la sección de comunicación para los módulos Arduino es versátil haciendo que en el desarrollo de software se realice de manera más sencilla y óptima, por lo tanto esta razón fortalece el argumento del uso de estos módulos.
Las pruebas de testing elaboradas y ejecutadas son de vital importancia ya que por medio de estas se puede validar y evidenciar el correcto funcionamiento del desarrollo de la plataforma tanto en software como hardware, mostrando que la arquitectura propuesta para la comunicación entre maestro y esclavos y la estrategia de movimiento diseñada compaginan en buena medida y tiene como resultado un movimiento fluido y continuo de la plataforma.
Es necesario aclarar que para realizar el testing y la validación de la estrategia de movimiento, la variación de tipos de superficie presenta inconvenientes ya que al posicionar la plataforma en una superficie con alto grado de fricción como lo es una alfombra, esta necesita realizar mayor esfuerzo y por las limitaciones de los servos, el movimiento no es fluido y presenta atascamientos en algunas extremidades lo que podría tener como consecuencia nuevas averías.
Debido a la adquisición de una nueva extremidad con servos nuevos, estos por su posicionamiento sobre un extremo de la plataforma generan un acción de fuerza no proporcional a las demás extremidades generando un desvió sobre la ruta de movimiento haciendo que su desplazamiento tenga tendencia diagonal en su ruta.
La implementación de la plataforma hexápoda (al tener significativas limitaciones sobre el torque generado por parte de los servos) sobre labores de investigación, se proyecta de una manera extremadamente limitada debido al desgaste de la misma, a pesar de que el sistema fue sometido a labores de reparación, se requiere reemplazar en gran medida los servomotores de piñonearía plástica por unos de mejores características con el fin de rescatar las propiedades sobre el movimiento de las extremidades, por otra parte los costes de realizar un cambio de este tipo sugieren que adquirir una plataforma más actual, tendría un costo menor y mejores beneficios.

A la hora de implementar el algoritmo de Fuzzy C-Means adecuado para modelar sistemas no lineales tiene como limitación la necesidad de que un agente experto con conocimiento sobre la plataforma inicialice el algoritmo y determine si el numero y la posición final de los clusters obtenidos cubre todo el rango de movimiento, esto debido a que la matriz de pertenencia se inicialice de manera aleatoria ocasionando que por cada ejecución del algoritmo la posición final de los clusters puede variar
Por otra parte debido a que el algoritmo Fuzzy C-Means tiene como finalidad reducir la función objetivo basada en la distancia euclidiana lo que conlleva a la generación de clusters circulares en el espacio bidimensional (teta vs yout), y los datos obtenidos a partir de la poción de la extremidad no se distribuyen en conjuntos que puedan ser aproximados a una figura circular si no que su distribución podría ser agrupada mediante clusters elipsoidales abriendo la posibilidad de implementar algoritmos como el de Gustafson Kessel capas de agrupar dato con distribuciones de tipo Mahalanobis VALIDACION DEL MODELO MATEMATICO. Extremidad de la plataforma hexápodo y su diagrama de movimiento tanto rotacional como vertical. Área de trabajo de la plataforma Hexápodo. Placa Arduino Uno implementada para controlador maestro del sistema Hexápodo. Configuración bilateral de las extremidades de un robot hexápodo. Rotula de bola de doble cabeza ajustable. Eslabones para conexión entre rotula y extremidad. Extremidad del robot hexápodo y análisis geométrico de ésta. Matriz modelo cinematico por el metodo geometrico para la plataforma. MODELO GEOMÉTRICO. GRACIAS. ESTRATEGIA DE MOVIMIENTO. Características principales de las diferentes estrategias de movimiento. OBJETIVOS. Objetivos especificos. AGENDA. Zoomórficas y Móviles. Tercera generación. Tipo C según las dos asociaciones. 2 Grados. Simetria bilateral. • T0, T1, T2, Y T3 son los periodos de tiempo donde se
activan cada una de las extremidades.
• CE equivale a cambio de estado.
• X equivale a posición aleatoria.
• N equivale a un estado de reposo (stop).
• + equivale a movimiento hacia adelante.
• - equivale a movimiento hacia atrás. Secuencia de movimiento para cada extremidad. ESTABILIDAD. Análisis de las regiones del polígono de estabilidad. Diagramación del problema cinemático para cinemática directa e inversa. CINEMATICA. Comportamiento de las diferentes extremidades realizando mediciones arbitrarias de la posición zeta. Caso de prueba 1. Caso de prueba 2. Caso de prueba 3. Caso de prueba 4. Caso de prueba 5. 0. Inicializar el algoritmo
Número de clusters.
Inicializar la matriz de partición difusa.
Establecer una condición de tolerancia (ε).
Establecer un numero de iteraciones máximo *

1.Se calculan los centros de clúster iníciales.

2.Se calculan las distancias que separan los datos a los cluster.

3.Se actualizan los grados de pertenencia de la matriz de partición y los centros de cluster.

4.Se evalúa si se cumple la condición para la tolerancia “ε”, si no se cumple, se repiten los pasos 2 y 3. Fuzzy C-means Gustafson Kessel
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