dispositivos hápticos y cirugía robótica · control de impedancia el usuario mueve el...
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Dispositivos hápticos y cirugía robótica
Félix Monasterio-Huelin Maciá
robolabo.etsit.upm.es/haptico
A. Ciencia e historiaB. Dispositivos e Interfaces hápticos
Cinemática Modos de interacción
C. Sistemas hápticos Métodos de manipulación Métodos de control
D. Cirugía robótica
A. Ciencia e historiaB. Dispositivos e Interfaces hápticos
Cinemática Modos de interacción
C. Sistemas hápticos Métodos de manipulación Métodos de control
D. Cirugía robótica
C) Sistemas hápticos
Métodos de controlo Control Híbrido fuerza/posicióno Control de impedancia o Control de admitancia
Métodos de manipulacióno Manipulación cooperativao Telemanipulacióno Autónomos
Métodos de control
Control de admitancia: F → v Control de impedancia: v → F
• Dispositivos hápticos pasivos. Sin realimentación. Se programa la disipación como una función del espacio o del tiempo. (lazo abierto)
• Dispositivos hápticos activos. Con realimentación (lazo cerrado)– Isotónicos: Los actuadores actúan como una fuente de fuerza (variación de
esfuerzo) y se mide la posición. La fuerza no cambia con la posición. Corresponde al control de impedancia. Es como especificar una impedancia para producir una simulación.
– Isométricos: Los actuadores actúan como una fuente de posición y se mide la fuerza. La posición no cambia con la fuerza. Corresponde al control de admitancia.
Control de Admitancia
● El dispositivo mide las fuerzas que el usuario efectúa sobre él, y reacciona con un movimiento (posición, velocidad, aceleración).
● Se controla el movimiento del dispositivo.● El dispositivo actúa como una admitancia y el operador como una impedancia.● Un robot de admitancia es uno de elevadas inercia y fricción (robot industrial). Se
les considera “fuentes de velocidad”.
Control de Impedancia
● El usuario mueve el dispositivo, que reacciona con una fuerza.● Se controla la fuerza de interacción del dispositivo con el
operador.● El dispositivo actúa como una impedancia y el operador como
una admitancia.● No es imprescindible que tenga sensores de fuerza. Puede
hacerse con modelos del mundo simulados.● Un robot de impedancia es uno de bajas inercia y fricción (la
mayoría de los dispositivos hápticos). Se les considera “fuentes de fuerza”.
● The duality between impedance and admittance controlSo, admittance control and impedance control are dual. What is difficult for the one is easy for the other
● Admittance control is the paradigm of choice in the following cases:- simulated contact with stiff objects. - simulated contact with heavy objects.- total elimination of friction.- robust devices (stiff, strong or large machines, large workspaces).- moving larger physical masses.- detailed measurement of forces.
● Impedance control comes into its own in the following cases :- safe, light and passive movements.- contacts with hard physical surfaces.- very low simulated mass, but with some friction allowed.- small, low-cost devices.
Force Control of Robot Manipulators T.A.Lasky y T.C. Hsia,
Applied Control. Current Trends and Modern Methodologies, Cap. 22,pp.639-661.
Ed.S.G.Tzafestas, Marcel Dekker, Inc., 1993
q2
x
F
N
y
z
Fe
τFdROBOTCONTROLADOR SENSOR FUERZA
Dinámica del robot en el espacio de configuración
eqGqqCqqM ττ −=++ )(),()(
eqqhqqM ττ −=+ ),()(
Tnqqqq ),...,,( 21=
Tn),...,,( 21 ττττ =
Cinemática
)(qfX =
TzyxzyxX ),,,,,( φφφ=
qqJX )(=
q
XJ
∂∂
=
qqJqqJX )()( +=q2
x
F
N
y
z
)(qfX =
TzyxzyxX ),,,,,( φφφ=
Efector final
FqJ T)(=τ
eT
e FqJ )(=τ
Tzyxzyx NNNFFFF ),,,,,(=
τF
JT
Dinámica en el espacio cartesiano
eFFhXM −=+~~
1~ −−= MJJM T
qJMhJh T ~~
+= −
donde
eqqhqqM ττ −=+ ),()(
eFFhXM −=+~~
Control
eFFhXM −=+~~
eFFhXM −=+~~
Control de impedancia
eFFhXM −=+~~
eFFhXM −=+~~
eFFhXM −=+~~
● Salisbury propuso una relación de rigidez (stiffness):
XKF δ−=dXXX −=δ
XKXBXAFe δδδ ++=
)(/)()( sXsFsZ e δ=
• El objetivo del controlador es alterar la dinámica del sistema, de tal modo que en presencia de fuerzas y pares externos del efector final Fe, la dinámica sea la definida por una ecuación de impedancia (Modelo virtual del mundo como una impedancia):
donde A es una matriz de masas, B una matriz de amortiguamiento y K una matriz de rigidez deseadas.
KBsAssZ ++= 2)(
● Pero cuando se produzca un contacto Fe alterará la trayectoria: Se diseña de tal modo que en régimen permanente δX≠0, y en consecuencia Fe =KδX.
eFhMF ++=~~
α
X=α
de XFXKXBA +−+= − )(1 δδα
• La idea es que mientras no haya fuerzas exteriores (movimiento sin restricciones externas) el robot seguirá la trayectoria:
XKXBXA δδδ ++= 0
XKXBXAFe δδδ ++=
eFFhXM −=+~~
eFFhXM −=+~~ d
e XFXKXBA +−+= − )(1 δδα
VISHARD10: control de admitancia (2003)+ robot de impedancia
2006
Proponen un control de admitancia para un robot de impedancia (se puede incorporar a Da Vinci).
● Con control de impedancia se producen inestabilidades (2003)
Cooperación entre robots
Métodos de manipulación
Manipulación Cooperativa: el usuario interactúa con un entorno a través de un robot.
Telemanipulación: el usuario interactúa con un entorno a través de dos robots. Controla directamente al maestro (master). El segundo suele ser simplemente un esclavo (slave) remoto del otro.
Autónomos: incorpora técnicas de inteligencia artificial que dotan de cierta autonomía al robot.
Telerobotic Control StructuresG. Hirzinger
Applied Control. Current Trends and Modern Methodologies, pp.977-1004, Cap. 32,
Ed. S.G.Tzafestas., Marcel Dekker, Inc., 1993
A. Ciencia e historiaB. Dispositivos e Interfaces hápticos
Cinemática Modos de interacción
C. Sistemas hápticos Métodos de manipulación Métodos de control
D. Cirugía robótica
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