Centro tecnológico Cartif

AACRI

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• REFERENCIA: DPI2006-14031
• TITULO: ARQUITECTURAS ABIERTAS PARA CONTROL DE ROBOTS INDUSTRIALES
• INVESTIGADOR PRINCIPAL: José Luis González Sánchez
• ORGANISMO: Fundación CARTIF
• CENTRO: Fundación CARTIF
• DIRECCION: Parque Tecnológico de Boecillo, parc. 205 (47151 Valladolid)
• TELEFONO: 983 546504
• PRESUPUESTO: 48.700 € (Subvención: 48.700 €)
• CORREO E: This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it
• PAGINA WEB DEL PROYECTO: http://www.cartif.com
  /index.php/es/areas-
  de-investigacion/ingenieria-
  biomedica/robotica-control
  /aacri.html
• PALABRAS CLAVE: Arquitecturas abiertas de control, sistemas de tiempo real, robots manipuladores

Proyecto financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación

Objetivos del proyecto

A lo largo de los últimos años se ha incrementado el interés hacia el uso de plataformas abiertas hardware y software como soporte de aplicaciones de control abierto. Prueba de ello es la aparición de diferentes propuestas para la definición de arquitecturas abiertas para el control de equipos de producción (OSACA, OSEC, OMAC)

El uso de un PC como plataforma de control facilita la conectividad, estandarización y disponibilidad de componentes, y reducción de costes. Existe, sin embargo, un aspecto que ha sido poco estudiado, la aplicación de estos conceptos sobre equipos diseñados con una estructura de control propietaria.

Los controladores de arquitectura abierta ofrecen una multitud de beneficios a los usuarios de máquinas herramientas, robots y máquinas de medición de coordenadas, reduciendo los costos de ciclos de vida de instalación, operación y mantenimiento de los equipos. Por otra parte, el principal objetivo de los sistemas abiertos es la disponibilidad pública de interfaces para la funcionalidad del controlador.

El uso de un PC como plataforma de control permite implantar una arquitectura abierta de control. Las principales ventajas son la posibilidad de utilizar un sistema operativo de amplia difusión (MS Windows, Linux, etc.) con acceso a una enorme base de aplicaciones software, la fácil integración del PC en una red de comunicaciones (con acceso a recursos locales y remotos) y la disponibilidad de un gran número de entornos de desarrollo de aplicaciones.

El control de un robot manipulador mediante un PC, basado en arquitectura abierta, reduce de una forma significativa los costes de equipo. Permite actualizar el controlador, sin tener que sustituir el robot existente. Permite modificar el hardware de control, con pequeños cambios en el software de control. Gracias a la modularidad del sistema, si se desea modificar el programa de control, solo se tendrán que cambiar los módulos que se vean afectados.

Sin embargo, un controlador basado en PC es menos robusto y tolerante a fallos que un controlador comercial, por lo cual es necesario incorporar medidas adicionales de supervisión y seguridad para garantizar un funcionamiento que sea como mínimo, tan fiable como el original en el equipo.

Recientemente se han realizado estudios para la implementación de arquitecturas de control abierto sobre algunos robots industriales sencillos, basándose en las arquitecturas OSACA y OMAC. Los resultados obtenidos han llevado a iniciar una investigación para proponer una alternativa de control abierto para un robot manipulador de mayor envergadura, y evaluar las ventajas de una plataforma abierta.

En este proyecto se propone realizar el estudio de una alternativa de control abierto y su aplicación en el diseño e implementación de una arquitectura de control abierto para un robot manipulador, de esta forma se obtendrá las ventajas de una plataforma abierta, que amplié la funcionalidad del controlador original del robot y solvente las restricciones que se han encontrado hasta el momento.

Aspectos relevantes del desarrollo del proyecto

A lo largo del proyecto se han realizado diversas actividades relacionadas con la arquitectura hardware (HW), fundamentalmente relacionadas con los componentes de seguridad así como la adecuada sintonización de las tarjetas variadoras.

Se ha hecho especial hincapié en la parte dedicada a garantizar la seguridad de las personas, tratando de evitar cualquier accidente que pueda dañar la integridad física de las personas que trabajan en el entorno del robot. En este sentido, se integra la gestión de las señales de emergencia, así como los elementos relativos al control del consumo y, por tanto a la seguridad de los componentes del robot. Además, se ha incluido un sistema encargado de monitorizar el funcionamiento del computador de control mediante circuito de vigilancia, watchdog, cuyo objetivo consiste en evitar que el robot se quede sin control, debido a fallos en el computador o en la aplicación de control, incrementando la robustez del sistema de control, garantizando la parada del robot hasta que resuelva el problema y se rearme el control.

Partiendo de las características de los motores, se sintonizaron adecuadamente los seis variadores de frecuencia que se han adquirido para el proyecto, teniendo en cuenta la dinámica de funcionamiento de cada eje del robot.

Para generar las consignas adecuadas al movimiento de los motores, se ha realizado un estudio de la cinemática del robot calculando las transformaciones necesarias en las articulaciones, de modo que su extremo se coloque en una posición y orientación determinada (cinemática inversa) y, en sentido contrario, la posición y orientación del extremo del robot a partir de sus componentes fijas y las transformaciones inducidas por sus articulaciones (cinemática directa).

Otro aspecto de la realización del proyecto ha sido el desarrollo, programación y prueba del driver de un sensor de fuerza-par avanzado que permita su control desde un ordenador con un sistema operativo en tiempo real abierto como es RTAI, e integrar la información obtenida por el sensor en el control del robot. Este sensor se acopla al extremo servocontrolado del robot para el control de fuerza.

En cuanto a la arquitectura software, el desarrollo se centra sobre la plataforma EMC (Enhanced Machine Controller) en su versión 2. Este software está realizado de acuerdo a las especificaciones de OMAC (Open Modular Architecture Controller). EMC está formado por cuatro componentes: el controlador de movimiento (EMCMOT), el controlador de E/S digitales (EMCIO), un coordinador y ejecutor de tareas (EMCTASK), y los elementos básicos de comunicación e interfaz hombre-máquina. Partiendo del desarrollo básico, se han modificado los módulos para adaptarlos a las necesidades de nuestra aplicación de control, teniendo en cuenta fundamentalmente la cinemática y dinámica del robot, así como los interfaces con sensores y actuadores.

Se ha trabajado especialmente en el desarrollo del módulo EMCMOT, de control de movimientos, que se encarga de muestrear la posición de los ejes a controlar, calcular el siguiente punto de la trayectoria, interpolar entre los puntos de la misma, y computar una salida a los motores.

El aspecto en que más se está trabajando actualmente es en la integración de componentes de las plataformas HW y SW y en el control. La tarea de integración de las plataformas hardware y software tiene como objetivo que el sistema funcione como un conjunto de acuerdo con las especificaciones iniciales.

El control de posición de un manipulador puede ser usado para realizar tareas muy diversas (por ejemplo: pick and place, soldadura, ensamblaje, mecanización de piezas) que requieren un "contacto" con el entorno, a través del cual se generan unas fuerzas de reacción débiles. Sin embargo, otras tareas de los manipuladores (taladrado, ensamblaje...), requieren fuertes interacciones con el entorno, fruto de las cuales aparecen "fuerzas de reacción" de magnitud elevada (incluso para pequeños desplazamientos del manipulador), que pueden causar daños tanto en el manipulador como en el entorno, si estas fuerzas no son "controladas" de manera adecuada.
El control híbrido hace referencia a un control de posición y a un control de fuerza, pero no especifica qué tipo de controlador de posición y controlador de fuerza deben ser utilizados. En el ámbito del controlador de fuerza nuestro objetivo es el estudio y desarrollo de estrategias de control basadas en fuerza (explicit control force) cuando el robot manipulador se mueve en un entorno restringido.

Por último, también se trabaja en el diseño y desarrollo de un sistema de control visual. Su objetivo fundamental es el posicionamiento del robot respecto de un objeto utilizando la información proveniente de un sistema de visión artificial. Para ello se aplican algoritmos de reconocimiento de objetos mediante el tratamiento de imágenes digitales, principalmente aquellos basados en modelos de apariencia, con técnicas de análisis de componentes principales (PCA). Esta técnica permite extraer las características (apariencia) del objeto para reducir la dimensión de los modelos.

También se propone el estudio y desarrollo de una solución a la problemática temporal en la extracción de parámetros para el reconocimiento y el posicionamiento, que permita la determinación precisa de la posición de piezas en el entorno y del control visual.

Un aspecto problemático en todo sistema de visión es la correcta iluminación de la zona a inspeccionar o visualizar. Para tratar de resolverlo, se está diseñando un sistema de iluminación robotizado que se situará en el extremo del robot, junto a la cámara, y permitirá iluminar de forma adecuada el área de interés, todo ello en tiempo real, según se realiza el desplazamiento del extremo del robot, aplicando la metodología desarrollada previamente en el resto del proyecto.