Anteproyecto de Tesis:
Dise˜
no de esquemas de control difuso para la posici´
on y velocidad
en un Manipulador Paralelo tipo DELTA
Ing. Gilberto Reynoso Meza
Semestre Agosto - Diciembre 2004
Resumen
La direcci´on del Departamento de Mecatr´onica y Automatizaci´on del ITESM campus Monterrey ha iden-tificado como ´area de oportunidad para el desarrollo de tecnolog´ıa y capital intelectual la formaci´on de un grupo de trabajo orientado al dise˜no, construcci´on y control de robots manipuladores de diferentes arquitec-turas.
Con miras a iniciar y consolidar este grupo de trabajo, se presenta la siguiente propuesta de tesis con-sistente en el dise˜no e implementaci´on de arquitecturas de control difuso para la posici´on y velocidad de un manipulador paralelo tipo DELTA.
Los manipuladores paralelos han llamado la atenci´on en los ´ultimos aos dada las ventajas que ofrecen con respecto a los manipuladores seriales, convirti´endose en un ´area de investigaci´on y desarrollo que presenta a´un muchos problemas abiertos por tratar. Uno de ellos, es el dise˜no de controladores eficientes, dada la complejidad topol´ogica de los mismos. Por ello la iniciativa de esta propuesta para trabajar sobre este tipo de manipuladores.
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Introducci´
on
La direcci´on del Departamento de Mecatr´onica y Automatizaci´on del ITESM campus Monterrey ha iden-tificado como ´area de oportunidad para el desarrollo de tecnolog´ıa y capital intelectual la formaci´on de un grupo de trabajo orientado al diseo, construcci´on y control de robots manipuladores de diferentes arquitec-turas.
Los manipuladores pueden ser clasificados de muchas formas. Por citar algunas, se les puede clasificar de acuerdo a su forma, su volumen de trabajo, su tarea a desempe˜nar y su estructura. Esta ´ultima se divide en dos ramas: manipuladores seriales o de cadena cnem´atica abierta y manipuladores paralelos o de cadena cinem´atica cerrada.
Una cadena cinem´atica es la uni´on de eslabones conectados por articulaciones. Se dice que es abierta cuando un eslab´on se encuentra conectado con cualquier otro de una sola forma. Se dice cerrada cuando un eslab´on se encuentra conectado con otro por al menos dos formas.
Los Manipuladores seriales son los mas conocidos y han sido ampliamente usados en la industria, dada la versatilidad de movimientos que ofrecen y la flexibilidad para desempe˜nar diferentes tareas. Algunos de los Manipuladores de mayor comercializaci´on son los conocidos como tipo SCARA (selective apliance arm robot for asembly) o PUMA (Programmable Universal Manipulator Arm).
Los Manipuladores Paralelos son estructuras cinem´aticas de cadena cerrada. El ejemplo m´as sencillo de una estructura cine´atica cerrada lo representa el mecanismo de cuatro barras. Entre las ventajas de este tipo de estructuras se encuentran: la capacidad de lograr mayores aceleraciones, su estructura no est´a sometida a cargas de flexi´on y pueden ser m´as precisos que los manipuladores seriales.
Pese a estas ventajas, los manipuladores paralelos no han sido comercializados de la misma forma que los seriales. Esto se debe ya que, debido a su topolog´ıa, el c´alculo de posiciones, volumen de trabajo, deter-minaci´on de singularidades, y control de velocidades y trayectorias se vuelve m´as complicado de tratar que los manipuladores seriales. Esto ha provocado que se convierta en un ´area de investigaci´on y desarrollo que presenta a´un muchos problemas abiertos por tratar.
Por tratarse de un ´area dentro de la rob´otica en la que se pueden hacer contribuciones relevantes es que se propone el presente Anteproyecto de tesis consistente en el dise˜no e implementaci´on de arquitecturas de control difuso para la posici´on y velocidad de un manipulador paralelo tipo DELTA. Con dicho trabajo, se espera iniciar las l´ıneas de trabajo y de investigaci´on del grupo que se formar´a.
2
Antecedentes
2.1.
Revisi´
on Hist´
orica de los Manipuladores Paralelos
La primer patente registrada basada en una estructura paralela data del a˜no 1931 a nombre de James E. Gwinnett. La funci´on de esta estructura era la de efectuar una simulaci´on de vuelo por medio del movimien-to de una plataforma. ´Este nunca se construy´o, pero se le reconoce como el primer diseo registrado de un mecanismo paralelo.
El primer robot con estructura paralela corresponde a Willard L.V. Pollard el cual fue conceptualizado para aplicaci´on de pintura por dispersi´on en 1938.
En 1947 fue construida la estructura paralela que se populariz´o en la industria y cuyo dise˜o se adjudica a Eric Gough. Su construcci´on, un hex´apodo de forma octagonal, fue empleado para efectuar pruebas de resistencia bajo distintas combinaciones de carga a llantas de aviones.
En 1994, durante el International Machine Tool Show en Chicago, Illinois, E.U.A., se present´o por primera vez una serie de prototipos de M´aquinas Herramienta basadas en el principio de cinem´atica paralela. Con ello, se logra una m´aquina-herramienta capaz de alcanzar un punto en su volumen de trabajo con un n´umero mayor de posibles orientaciones, aumentando as´ı la dexteridad de la misma.
Figura 2.2: Esquema del Manipulador Delta. U.S: Patent 4,976,582
2.2.
Revisi´
on Hist´
orica del Manipulador DELTA
El Manipulador DELTA fue dise˜nado y patentado por Reymond Clavel en 1990. ste se encuentra reg-istrado bajo la patente US 4,976,582 y el nombre de ”Device for the movement and positioning of an element in space”. Este concepto fue desarrollado por Clavel tras una visita a una industria chocolatera, donde el manejo de chocolates para traslado y empaquetamiento debe seguir estrictas reglas de higiene [LR99].
Este manipulador es un Paralelippedo que cuenta con cuatro grados de libertad. En su forma m´as gen-eral, est´a constituido por una base fija y otra m´ovil. Estos se encuentran unidos por 3 cadenas cinem´aticas cerras, conocida cada una como ”brazo”del manipulador. Los motores que conducen al plato mvil se encuen-tran montados en la base fija, de manera que la masa a mover del robot es menor, permitiendo as´ı altas aceleraciones.[Cla90]
2.3.
Control de Posici´
on y Velocidad
Dada la complejidad inherente a la topolog´ıa de los manipuladores paralelos, se ha vuelto importante encontrar esquemas de control apropiados si se pretende lleguen a ser implementados en la industria que tiene ya mucho tiempo trabajando con los manipuladores seriales.
Se han probado diferentes esquemas de control, pero acorde con Merlet [Mer02], Koren [Kor99], estos es-quemas a´un no son del todo satisfactorios y resta mucho camino por recorrer. En Particular, el Manipulador DELTA, acorde con Clavel[LR99] ha sido probado bajo esquemas de control robusto como son:
P(I)D Desacoplado P(I)D con feedforward
PD con linealizaci´on feedforward PD con feedforward ense˜nado PD con feedforward adaptable
Se observa que los esquemas de control difuso no han sido empleados en este tipo de plataforma y ning´un otra de acuerdo a la revisi´on bibliogr´afica.
3
Planteamiento de la Propuesta
3.1.
Definici´
on del Problema
Se identifica un ´area de oportunidad en el control de posici´on y velocidad en manipuladores paralelos tipo DELTA utilizando teor´ıa de Control Difuso.
3.2.
Justificaci´
on
Este trabajo constituir el primer paso en la b´usqueda de nuevas arquitecturas de control en manipuladores paralelos. Con ello, se contribuir a impulsar el estado del arte en lo referente al control de estas estructuras, esperando impactar en manipuladores paralelos m´as complejos.
3.3.
Objetivo General
Disear arquitecturas de control difuso en manipuladores paralelos tipo DELTA.
3.4.
Objetivos particulares
Dise˜nar e implementar un banco de pruebas para algoritmos de control en un manipulador tipo DELTA. Identificaci´on del manipulador
Diseo de la arquitectura de Control Difuso Diseo de una HMI para las acciones de control Implementar el algoritmo de control
Bibliograf´ıa
[Cla90] Reymond Clavel. Device for the movement and positioning of an element in space, 1990. U.S. Patent 4,976,582.
[GW99] D. Hasdage G. Wiens. Dynamics and controls of hexapod machine tools. In L. Molinari-Tisatti amd K.S. Smith C.R. Boer, editor, Parallel Kinematic Machines, Theorical Aspects and industrial requirements, Advanced Manufacturing Series. Springer, 1999.
[HT99] H. Grendel H.K. Tonshoff. A systematic comparison of parallel kinematics. In L. Molinari-Tisatti amd K.S. Smith C.R. Boer, editor, Parallel Kinematic Machines, Theorical Aspects and industrial requirements, Advanced Manufacturing Series. Springer, 1999.
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[Kor99] Y. Koren. Will pkm be adopted by industry? In L. Molinari-Tisatti amd K.S. Smith C.R. Boer, editor, Parallel Kinematic Machines, Theorical Aspects and industrial requirements, Advanced Man-ufacturing Series. Springer, 1999.
[LR99] R. Clavel L. Rey. The delta parallel robot. In L. Molinari-Tisatti amd K.S. Smith C.R. Boer, editor, Parallel Kinematic Machines, Theorical Aspects and industrial requirements, Advanced Manufac-turing Series. Springer, 1999.
[Mer00] Jean-Pierre Merlet. Parallel Robots. Solid Mechanics and its applications. Kluwer Academic Pub-lishers, 2000.
[Mer02] Jean-Pierre Merlet. An initiative for the kinematics study of parallel manipulators. In Cl´ement M. Gosselin and Imme Ebert-Uphoff, editors, Fundamental Issues and Future Research Directions for Parallel Mechanisms and Manipulators, October 2002.
