1 ANDRÉ RIBEIRO LINS DE ALBUQUERQUE APLICAÇÕES DE HARDWARE-IN-THE-LOOP NO DESENVOLVIMENTO DE UMA MÃO ROBÓTICA Tese apresentada à Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Doutor em Engenharia Mecânica. Área de Concentração: Mecatrônica Orientador: Prof. Assoc. Glauco Augusto de Paula Caurin São Carlos 2007 2 à querida família, pai, mãe, irmã que sempre me incentivaram e torceram por mim e, especialmente a minha mais nova e encantadora família: Juliana e Enrique. 3 AGRADECIMENTO Ao Prof. Glauco, pela oportunidade, orientação e paciência neste trabalho. À Fapesp, pelo suporte financeiro para o desenvolvimento deste trabalho. À Universidade de São Paulo, seus funcionário e docentes que colaboram de forma expressiva e eficiente com o desenvolvimento de pesquisas e de novas tecnologias no país. A todos os membros da equipe BRAHMA, incluindo os técnicos do laboratório de dinâmica, pela colaboração e empenho no desenvolvimento do projeto. Ao Dr. Ronald Vuillemin, chefe do Instituto de Eletrônica da Universidade Central de Ciências Aplicadas da Suíça e, à sua equipe, pelo acolhimento, hospitalidade e apoio a este trabalho. Aos amigos, Leonardo Marquez, Marcio Montezuma, Alan Ettlin e, Cláudio Policastro pela grata oportunidade de convivência, trabalho e descontração. À grande amiga Luciana Abdo, pelo seu companheirismo e apoio neste período. 4 “O conhecimento amplia a vida. Conhecer é viver uma realidade que a ignorância impede desfrutar”. Carlos Bernardes Gonzáles Pecoche 5 RESUMO ALBUQUERQUE, A.R.L.A. Aplicações de Hardware-in-the-Loop no desenvolvimento de uma mão robótica. 2007. 173 f. Tese (Doutorado) - Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007. O trabalho tem como objetivo o estudo e a aplicação da técnica de Hardware-in-the- Loop como uma ferramenta de suporte no processo de desenvolvimento de uma mão artificial robótica. Os esforços se concentram no desenvolvimento de um ambiente computacional e um ambiente experimental para trabalharem em conjunto e simultaneamente. No ambiente computacional foi desenvolvido o modelo do sistema simulado em tempo real. No ambiente experimental, partes do protótipo da mão robótica foram implementadas. Em ambos os casos, foram desenvolvidos e empregados um controlador seguidor multivariável. Adotando este tipo de abordagem, partes do sistema simulado em tempo real poderão ser substituídas - à medida de suas necessidades - por partes físicas, como por exemplo: sensores, atuadores e novos hardwares de controle, possibilitando uma considerável redução de investimento em hardware e de tempo de projeto. 6 ABSTRACT ALBUQUERQUE, A.R.L.A. Hardware-in-the-loop applications in the robotic hand development. 2007. 173 p. Thesis (Doctoral) - Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007. The purpose of this work is the study and the application of the Hardware-in-the-Loop technique as a support tool in the development process of an artificial robotic hand. The efforts concentrate on the development of a computational and experimental environment to work together and simultaneously. In the computational environment, the simulated system model was developed in real-time. In the experimental environment, prototype parts of the robotic hand were implemented. In both cases, a multivariable controller was developed and utilized. By adopting this approach, parts of the system simulated in real time can be substituted – according to the needs - by physical parts, such as: sensors, actuators, and new control hardware, allowing a considerable investment reduction in hardware and in time of project. 7 LISTA DE FIGURAS Figura 1.1: Combinações possíveis entre estruturas físicas e simuladas em uma abordagem híbrida de Hardware-in-the-Loop.................................................................................18 Figura 1.2: Estrutura mecânica da BRAHMA......................................................................22 Figura 1.3: Metodologia simplificada do desenvolvimento do projeto..................................24 Figura 2.1: Vista dorsal da junta interfalangial e metacarpo-falangial retirada de NEUMANN, (2002)..........................................................................................................................31 Figura 2.2: Representação de um dedo genérico...................................................................32 Figura 2.3: Diferentes vistas da versão final do protótipo virtual da BRAHMA....................33 Figura 2.4: Representação dos três últimos corpos do dedo, sendo: ab = falange proximal; ac = falange medial e ad = falange distal...........................................................................34 Figura 2.5: Representação geométrica do ângulo ϕ .............................................................36 m Figura 2.6: Modelagem da parte referente à “palma da mão” - do metacarpo ao punho........36 Figura 2.7: Representação geométrica ângulo ϕ no dedo polegar........................................37 p Figura 2.8: Notação adotada para cada dedo.........................................................................38 Figura 2.9: Velocidades angulares relativas..........................................................................40 Figura 2.10: Simulação do movimento nas articulações do dedo indicador...........................45 Figura 2.11: Resultado das Simulações. O gráfico a esquerda mostra o deslocamento angular imposto às articulações do dedo indicador. O gráfico à direita é apresentado o resultado dos deslocamentos lineares da ponta do dedo...............................................................46 Figura 2.12: Resultado das simulações da cinemática inversa. O primeiro gráfico apresenta uma imposição de um movimento linear à ponta do dedo. O gráfico do meio apresenta a orientação deste movimento linear. O último gráfico mostra como resposta os deslocamentos angulares nas articulações.....................................................................47 Figura 3.1: Esquema do sistema de acionamento –motor, acoplamento e carga....................50 8 Figura 3.2: Representação do sistema na forma de diagrama de blocos................................51 Figure 3.3: Circuitos Elétrico de um Motor DC....................................................................54 Figura 3.4: Representação do sistema completo na forma de diagrama de blocos (Eq. 3.17).56 Figura 4.1: Planta do sistema representada na forma de espaço de estados...........................63 Figura 4.2: Sistema de Controle Seguidor............................................................................65 Figura 4.3: Sinais de Entrada Degrau em cada uma das articulações.....................................68 Figura 4.4: Deslocamentos angulares das articulações dos dedos..........................................68 Figura 4.5: Medição dos Erros (diferença entre as figuras 4.3 e 4.4).....................................69 Figura 4.6: Velocidades angulares das articulações dos dedos..............................................69 Figura 4.7: Torques das articulações dos dedos....................................................................70 Figura 4.8: Sinal do Controle...............................................................................................70 Figura 4.9: Sinais de Entrada Degrau...................................................................................71 Figura 4.10: Deslocamentos angulares das articulações dos dedos........................................71 Figura 4.11: Medição do Erro (diferença entre as figuras 4.9 e 4.10)....................................72 Figura 4.12: Velocidades angulares das articulações dos dedos............................................72 Figura 4.13: Torques das articulações dos dedos..................................................................73 Figura 4.14: Sinal do Controle.............................................................................................73 Figura 4.15: Sinais de Entrada Senoidal com frequência de 5 rad/s......................................74 Figura 4.16: Deslocamentos angulares das articulações dos dedos........................................74 Figura 4.17: Medição do Erro (diferença entre as Figuras 4.15 e 4.16).................................75 Figura 4.18: Velocidades angulares das articulações dos dedos............................................75 Figura 4.19: Torques das articulações dos dedos..................................................................76 Figura 4.20: Sinal do Controle.............................................................................................76 Figura 4.21: Sinal de erro para a primeira atribuição de autovalores.....................................77 Figura 4.22: Sinal de erro para a segunda atribuição de autovalores.....................................78 9 Figura 4.23: Sinal de erro para a terceira atribuição de autovalores.......................................78 Figura 5.1: O hardware de controle posicionado no mesmo loop de uma simulação em tempo real do sistema.............................................................................................................82 Figura 5.2: O hardware de controle e um atuador físico no mesmo loop de uma simulação em tempo real de um dedo da BRAHMA...........................................................................83 Figura 5.3: Sistemas de Tempo Real....................................................................................89 Figura 5.4: Esquema da conexão de hardware.....................................................................94 Figure 5.5: Estrutura geral da plataforma de testes em HIL..................................................95 Figure 5.6: Plataforma MVME162 utilizada no trabalho......................................................96 Figura 5.7: Controle seguidor aplicado ao modelo discreto do motor Maxon (modelo 14434) ...................................................................................................................................100 Figura 5.8: Configuração do RTW para trabalhar com o Tornado®.....................................102 Figura 5.9: Resultados experimentais do controle de posição aplicado a um modelo de motor em HIL. Em azul tem-se a trajetória desejada e em verde a resposta medida...............103 Figura 5.10: Na ordem têm-se as seguintes respostas no tempo: 1) posição angular (em verde) e sinal de entrada (em azul); 2) medição do erro; 3) tensão de entrada do motor; 4) torque no eixo de entrada do motor.......................................................................................104 Figura 5.11: Device Drivers desenvolvidos para a comunicação com os Indutrial Packs....105 Figura 5.12: Ambiente experimental. Na seqüência: 1) O protótipo da Brahma; 2) o Target; 3) o driver de potência e motor da Maxon; 4) o Host......................................................106 Figura 5.13: Aplicação do controle seguidor a uma planta simulada e a uma planta física para uma entrada referência de meia onda senoidal com amplitude de 15 radianos e frequência de 5 rad/s....................................................................................................................107 Figura 5.14: Na ordem tem-se as seguintes respostas instantâneas em uma janela de 4 segundos para uma entrada de meia onda senoidal com amplitude de 15 radiano e 10 frequência de 5 rad/s no eixo de entrada do motor: 1) trajetória desejada; 2) resposta da planta simulada em tempo real; 3) resposta da planta física........................................107 Figura 5.15: Na ordem tem-se as seguintes respostas instantâneas em uma janela de 4 segundos dos sinais de controle em Volts para uma entrada de meia onda senoidal com amplitude de 15 radianos e frequência de 5 rad/s: 1) sinal de controle da planta simulada em tempo real; 2) sinal de controle da planta física.....................................................108 Figura 5.17: Aplicação do controle seguidor a uma planta simulada e a uma planta física para uma entrada pulsada de referência com amplitude de 15 radianos no eixo de entrada do motor e passo de 2 segundos......................................................................................108 Figura 5.18: Na ordem tem-se as seguintes respostas instantâneas em uma janela de 4 segundos para uma entrada pulsada: 1) trajetória desejada; 2) resposta da planta simulada em tempo real; 3) resposta da planta física..................................................................109 Figura 5.19: Na ordem tem-se as seguintes respostas instantâneas em uma janela de 4 segundos dos sinais de controle em Volts para uma entrada pulsada: 1) sinal de controle da planta simulada em tempo real; 2) sinal de controle da planta física.......................109 Figura 5.20: Instrumentação do Target utilizando ferramentas de monitoramento do RTOS110 Figura 5.21: Representação em diagrama de blocos do modelo da BRAHMA levando-se em conta o acoplamento dinâmico entre os atuadores e as articulações.............................111 Figura 5.22: Sinais de teste aplicados no modelo de simulação em tempo real de um dos dedos da BRAHMA.............................................................................................................111 Figura 5.23: Resposta instantânea dos deslocamentos angulares de um dos dedos da BRAHMA em um período de tempo específico..........................................................112 Figura 5.24: Ilustração da abordagem híbrida de HIL adotada, onde o hardware de controle e um atuador físico estão no mesmo loop de simulação em tempo real de um dedo da BRAHMA..................................................................................................................113