Plataforma de Experimentación de Controladores para Robots Industriales

PLATAFORMA DE EXPERIMENTACI ´ ON DE CONTROLADORES PARA ROBOTS INDUSTRIALES R. Romero, I. Alcal´a y F.R. Rubio Dept Ingenier´ıa de Sistemas y Autom´atica Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla e-mail:(romevi,ismael,rubio)@cartuja.us.es Resumen El objetivo del proyecto es el desarrollo de un equipo de experimentaci´on para controladores de robots industriales sustituyendo el controlador original del robot manipulador. La gesti´on de funciones auxiliares necesarias para el manejo real de un robot manipulador se trata de forma separada a la implementaci´on de controladores en si, facilitando la prueba de nuevas estrategias de control. Con idea de simplificar el proceso de implementaci´on de controladores, se programa en un ordenador el controlador a experimentar utilizando diagramas de bloques de Simulink. A continuaci´on, el controlador se carga en una tarjeta de control en tiempo real de la compa˜n´ıa dSPACE que adquiere las medidas de posici´on y aplica las se˜nales de control al robot manipulador. Mediante software es posible: supervisar el control implementado en la tarjeta dSPACE, modificar sus par´ametros y seguir la evoluci´on de variables relevantes del sistema. Lo cual permitir´a investigar nuevos controladores en una plataforma real. Palabras clave: Robot manipulador, Control por ordenador 1 INTRODUCCI ´ ON El inter´es en el estudio de nuevas metodolog´ıas de control avanzado en rob´otica industrial ha motivado la creaci´on de una plataforma que permita ensayar controladores de forma sencilla en un robot manipulador. La finalidad del proyecto consiste en probar distintas t´ecnicas de control en un robot industrial, para lo cual resulta interesante centrarse en la s´ıntesis de controladores y evitar problemas asociados a la implementaci´on f´ısica en un sistema real (alarmas, protecciones, etc). Adem´as, una mayor facilidad de programaci´on y rapidez en la implementaci´on de leyes de control permite reducir el tiempo de validaci´on de las t´ecnicas de control dise˜nadas. Estas consideraciones han llevado al empleo de un sistema basado en una representaci´on del controlador en diagrama de bloques que se almacena en una tarjeta de control en tiempo real instalada en un PC dotado con la herramienta Simulink de Matlab para la elaboraci´on de los controladores que son cargados en la tarjeta de control. La tarjeta de control utilizada ha sido la DS1103 de la compa˜n´ıa dSPACE [2] que consta de un procesador PowerPC, un DSP esclavo T MS320F240 y una memoria RAM de 32 MB. En la Tarjeta dSPACE se ejecuta el controlador dise˜nado y se gestionan las posibles alarmas y se˜nales digitales de los circuitos electr´onicos, as´ı mismo lleva a cabo la aplicaci´on de las se˜nales de control a los motores de un Robot Manipulador. El robot empleado es el brazo manipulador RM-10 para entornos industriales [4, 5]. El robot RM-10 tiene 6 grados de libertad, todos ellos de revoluci´on y con accionamiento indirecto con motores sin escobillas. El robot dispone originalmente de controladores PID para cada motor de los que se ha prescindido considerando el objetivo del proyecto. En cambio, se ha conservado la etapa de potencia y los sensores resolver de posici´on. Adem´as de las no linealidades en las ecuaciones din´amicas del robot debidas a acoplamientos entre los distintos enlaces, el RM-10 presenta fen´omenos de holgura y fricci´on en los ejes que motivan su utilizaci´on como equipo de desarrollo de controladores. Este documento est´a organizado de la siguiente manera: En la secci´on 2 se comentan las modificaciones hardware realizadas en el robot manipulador y se describen las tarjetas de circuito impreso que han sido necesarias. La secci´on 3 explica el proceso de implementaci´on de un programa de control en tiempo real a partir de un modelo en Simulink, quedando descritos los bloques que componen el modelo en la secci´on 4. Los programas para modificar variables del controlador y supervisar el control est´an comentados en la secci´on 5. Por ´ultimo, las conclusiones y posibles v´ıas futuras de expansi´on de la plataforma de ensayos est´an comentadas en la secci´on 6. 2 MODIFICACIONES HARDWARE REALIZADAS Para conseguir establecer la conexi´on entre el ordenador encargado del control y el robot manipulador se han implementado circuitos de interfaz en tarjetas electr´onicas. Las tarjetas conectan el armario de control del robot y la tarjeta de control en tiempo real dSPACE instalada en el ordenador. En el dise˜no de las tarjetas se han aislado las se˜nales del robot manipulador y de la tarjeta dSPACE mediante el empleo de optoacopladores y amplificadores anal´ogicos de aislamiento. Las funciones desempe˜nadas en las tarjetas aparecen en la figura 1 y comprenden: adquisici´on de las medidas de posici´on de los ejes, adquisici´on de posibles alarmas del robot, aplicaci´on de se˜nales digitales al armario del robot necesarias para realizar el control desde el ordenador y aplicaci´on de la se˜nal de control a cada regulador de velocidad de los motores del robot manipulador, as´ı como la conmutaci´on entre el controlador original del RM-10 y el control por ordenador. Existen tres tipos de tarjeta de circuito impreso descritos en los siguientes apartados. 2.1 TARJETA DE CONMUTACI ´ ON DEL CONTROL Antes de efectuar ninguna modificaci´on en el robot manipulador RM-10 el control de los ejes lo realizaba el armario de control del robot. Con objeto de poder controlar el robot manipulador desde el ordenador, se ha construido una tarjeta que conmuta la se˜nal de los motores entre el armario de control del RM-10 y el PC. Esta tarjeta electr´onica permite la conmutaci´on entre dos estados: posibilitar/impedir control desde PC. Para impedir el control desde el ordenador la tarjeta de conmutaci´on del control interrumpe la alimentaci´on de las tarjetas desarrolladas dejando el robot con su control original aunque se indique lo contrario desde el software de control del ordenador. 2.2 CIRCUITO RESOLVER/ENCODER Y AISLAMIENTO DE SE ˜ NALES ANAL´ OGICAS Para cada eje del robot manipulador es necesaria una tarjeta electr´onica de este tipo. La tarjeta consta de dos m´odulos claramente diferenciados seg´un la aplicaci´on que realizan: •El primer m´odulo realiza la conversi´on de la se˜nal resolver del sensor de posici´on del eje a se˜nal de un encoder incremental de 1024 pulsos por vuelta, para su lectura directa con la tarjeta dSPACE. Inicialmente se acondiciona la se˜nal aplicando filtros pasivos RC, una vez filtrada la se˜nal, se procede a generar las se˜nales encoder. La conversi´on se basa en el circuito integrado AD2S90 de Analog Devices, que a partir de la se˜nal de referencia del sensor resolver, y de las se˜nales inducidas seno y coseno, realiza la conversi´on a se˜nal de encoder. La salida transformada a se˜nal de encoder incremental se a´ısla antes de conectarse a la entrada de la tarjeta dSPACE encargada de leer se˜nales de este tipo. El aislamiento se realiza mediante optoacopladores de alta velocidad y para ello es necesaria una etapa amplificadora ya que las salidas de encoder incremental del AD2S90 no son capaces de suministrar suficiente corriente para activar la etapa de optoaislamiento conectada a la tarjeta dSPACE. •El segundo m´odulo se encarga de aislar las salidas anal´ogicas de la tarjeta dSPACE generadas por los algoritmos de control en el ordenador. El aislamiento est´a basado en el circuito integrado ISO122P de la firma BurrBrown que permite aislar se˜nales anal´ogicas con un rango ±10 Vy con un ancho de banda de 50kHz. En la figura 2 se muestra el diagrama de bloques de esta tarjeta. 2.3 TARJETA DE ENTRADAS-SALIDAS DIGITALES El robot manipulador utiliza una serie de entradas y salidas digitales que permiten conocer el estado de funcionamiento del sistema. Las entradas digitales a la tarjeta dSPACE provenientes del robot se corresponden con alarmas que permiten detectar fallos en la operaci´on del robot manipulador. Las principales alarmas son: EM6.Emergencia. Tiene que estar a uno cuando el robot funciona normalmente y en caso de darse una emergencia se desactiva. IFR.Se activa cuando los frenos del robot manipulador quedan liberados, permitiendo comprobar el estado de los mismos. IN8.Alarma de la fuente de alimentaci´on por alcance de m´axima temperatura. IN9.Alarma del fusible (fuente de alimentaci´on). IN10.Alarma de p´erdida de fase en la fuente de alimentaci´on. Conmutación de la Señal de Control Control Original del Robot Manipulador Circuito Resolver-Encoder Aislamiento de Señales Analógicas Tarjeta de Entradas-Salidas Digitales Salidas Digitales Entradas Digitales Tarjeta dSPACE Salidas Analógicas Señales Encoder Señales Resolver Señal de Control PC Señal de Control Aplicada Señales Digitales del Robot Señal de Conmutación Figura 1: Conexi´on entre el Robot Manipulador RM-10 y la tarjeta dSPACE. Figura 2: Esquema de la tarjeta de conversi´on resolver/encoder y aislamiento de se˜nal de control anal´ogica del motor. En cuanto a las salidas digitales generadas en la tarjeta dSPACE se utilizan 3 se˜nales que gobiernan la activaci´on, frenado y limitaci´on de potencia del robot manipulador: ENABLE.Pone el robot en estado activo pudiendo darle consignas a los reguladores de velocidad de cada motor de los ejes del RM-10. BRAKE.Cuando est´a activada, habilita los contactores de los frenos permitiendo el movimiento de los motores. CIR5.Es la salida digital utilizada para limitar la potencia de los motores saturando la se˜nal que les aplica a un 10% de la m´axima se˜nal de control que se puede aplicar al RM-10. Para poder aprovechar al m´aximo la capacidad de los motores tiene que estar desactivada. Adicionalmente en los ejes m´as conflictivos (ejes 1, 2 y 3) se ha dotado al sistema de mayor seguridad con la introducci´on de una se˜nal digital adicional (VERIFICACI´ ON CONTROL PC) que comprueba la correcta conmutaci´on de control del armario a control desde el ordenador. 3 IMPLEMENTACI ´ ON SOFTWARE DEL CONTROLADOR En esta secci´on se explica el proceso de programaci´on para probar el controlador dise˜nado. Figura 3: Esquema de programaci´on y supervisi´on de controladores en la tarjeta dSPACE. Dentro de este proceso hay que distinguir entre dos tipos de aplicaciones: aplicaciones utilizadas para implementar el controlador y aplicaciones encargadas de monitorizaci´on de resultados y sintonizaci´on de variables del controlador implementado. En la figura 3 aparece la relaci´on entre las aplicaciones y la tarjeta de control en tiempo real dSPACE. Las aplicaciones del primer tipo suponen el primer paso para implementar el control en el ordenador. B´asicamente, se ha desarrollado un modelo de Simulink con distintos bloques (figura 4) que simplifica la introducci´on de un nuevo controlador. El controlador se construye con bloques de la biblioteca de Simulink dentro del denominado bloque de control de la figura 4, mientras que en el resto de bloques se desarrollan las tareas necesarias para la implementaci´on f´ısica1. La programaci´on en bloques de Simulink proporciona un entorno familiar en la descripci´on de controladores que evita la utilizaci´on de lenguajes de programaci´on de bajo nivel y la necesidad de un conocimiento por parte del ingeniero de control de las bibliotecas de la tarjeta dSPACE, lo cual incide de manera directa en un menor tiempo de implementaci´on de controladores. Una vez introducido el controlador en el modelo de Simulink, se utiliza la herramienta Real Time Workshop Matlab. Esta herramienta traduce el modelo a c´odigo C, lo compila y descarga de forma autom´atica en la tarjeta dSPACE. La ejecuci´on empieza cuando el modelo compilado est´a en la tarjeta dSPACE. Finalmente, se utilizan las aplicaciones Cockpit y 1Los bloques de Simulink del modelo se explican en la secci´on 4 1 u [0 0 0 0 0 0] U_parado Switch2 Sum2 Sum1 Sum K Matrix Kp K Matrix Kd Enable 5 Mover 4 qd 3 q 2 qd_ref 1 q_ref Figura 5: Ejemplo de controlador PD independiente para cada eje implementado en el bloque de control de Simulink en forma matricial. Trace suministradas por dSPACE que pertenecen al segundo tipo de aplicaciones. El programa Cockpit de dSPACE, permite crear pantallas con controles para modificar en tiempo de ejecuci´on los par´ametros del modelo de Simulink y mostrar variables. Mientras que el programa Trace, se utiliza para supervisar los ensayos representando gr´aficamente la evoluci´on de las variables del modelo. 4 BLOQUES DEL MODELO DE SIMULINK Para establecer un entorno adecuado de programaci´on del controlador en un bloque de Simulink, se ha dividido el modelo en distintos bloques encargados de funciones diferenciadas (ver figura 4). Esta separaci´on en bloques consigue simplificar la programaci´on del controlador haci´endola m´as transparente al emplear bloques que realizan funciones auxiliares independientes del controlador probado (protecciones, generaci´on de trayectorias, alarmas,. . .). Los bloques que componen el modelo de Simulink se describen en las subsecciones siguientes. 4.1 BLOQUE CONTROL Est´a dedicado a la implementaci´on de los controladores desarrollados. En este bloque de Simulink se incluyen los controladores aplicados desde el PC al Robot RM-10. En la figura 5, se puede apreciar un ejemplo de controladores PD en cada eje del Robot. El ejemplo de la figura 5 hace uso de bloques b´asicos de Simulink, aunque es posible utilizar bloques pertenecientes a Toolbox de control de Matlab. El contenido del bloque de control puede ser sustituido por cualquier otro sin necesidad de modificar el resto de bloques (M´aquina de estados, supervisor de alarmas,...) Terminator1 Terminator [1.3 −0.05 1.5 0 −pi/2 −pi] RefCart [0 −pi/2 0 0 0 0] RefArt error_lineal FTRAY U_Aplicada CONTROLADOR_ACTIVO q qd Mover U_manual EnMovimiento r rd PROTECCIONES Y ROBOT q Mover refArt refCart q_ref/r_ref qd_ref/rd_ref error_lineal FTRAY Generador de Trayectoria q_ref qd_ref q qd Mover u CONTROL CONTROLADOR_ACTIVO U_controlador U_manual EnMovimiento U_Aplicada CONMUTACION DEL CONTROL Figura 4: Modelo de Simulink con las funciones necesarias para el control del robot manipulador separadas en 4 bloques. 4.2 BLOQUE GENERADOR DE TRAYECTORIAS Se encargar´a de suministrar las referencias de posici´on y velocidad de cada eje al bloque de control. Ha sido definido para permitir una representaci´on tanto en el espacio articular como en el lineal. Genera trayectorias con un polinomio de orden cinco para obtener referencias suaves de posici´on y velocidad en cada eje del robot. 4.3 BLOQUE CONMUTACI´ ON DEL CONTROL Este bloque supone una medida de protecci´on necesaria. En caso de que el controlador a prueba no consiga seguir la trayectoria de referencia es necesario utilizar otro controlador para detener el robot manipulador. Cuando el bloque de protecciones detecta este tipo de situaci´on, cambia el controlador experimental por un PID incluido en el bloque de protecciones y robot. El PID est´a suficientemente probado y pasa a ser el encargado de parar el robot. El bloque de conmutaci´on cambia la se˜nal del bloque de control por la se˜nal del controlador PID, que se env´ıa al bloque de Simulink de salidas anal´ogicas de la tarjeta dSPACE. Adem´as de situaciones de emergencia, la conmutaci´on del controlador tambi´en se realiza cuando se quiere mover el robot en modo manual 4.4 BLOQUE PROTECCIONES Y ROBOT Incluido en este bloque est´a la adquisici´on de las medidas de posici´on de los ejes, adquisici´on de entradas digitales y aplicaci´on de salidas digitales al robot manipulador para poder moverlo La parte dedicada a las protecciones del sistema, se encarga de comprobar el correcto funcionamiento y gobernar el bloque de conmutaci´on. Las funciones de protecci´on m´as relevantes est´an desarrolladas en el Supervisor de Alarmas y en la M´aquina de Estados. El Supervisor de Alarmas.En la figura 6 se puede ver la implementaci´on de este bloque. Tiene como misi´on comprobar la existencia de alarmas y comunicarlo a la M´aquina de Estados que se encargar´a de evolucionar al estado Encendido accionando los frenos y deshabilitando el bloque de control en caso de emergencia. Las alarmas detectadas se registran en variables indicadoras monitorizadas por los programas de supervisi´on (descritos en el apartado 5). Dentro de este bloque Supervisor de Alarmas se han incluido las siguientes protecciones software: •L´ımite de ´angulo en las articulaciones: genera una alarma cuando el ´angulo de una articulaci´on queda fuera de su rango. Los rangos fijados para cada eje pueden leerse en la tabla 2 IFR 1 EM qd U_Aplicada EM_Sin_Movimiento Subsystem1 Movimiento IFR VERIFICACION_CONTROL_ PC EM_Sin_Movimiento EM1 EM2 Subsystem S R Q !Q S−R Flip−Flop OR Or8 AND AND OR Or2 OR Or1 NOT Not4 NOT Not3 NOT Not2 NOT Not1 NU6 NU5 NU4 NU3 NU2 qd Operacion LimiteVelocidad LIMITE VELOCIDAD POS_CAR Operacion LimiteEspaciotrabajo LIMITE ESPACIO DE TRABAJO q Operacion LimiteAnguloArticulaciones LIMITE ANGULO ARTICULACIONES In1 Operacion IndicadorSinMovimiento In1 Operacion IndicadorSinControlPC In1 Operacion IndicadorInX In1 Operacion IndicadorFrenosActivados In1 Operacion IndicadorEM6 [D] Goto4 [Operacion] Goto3 [C] Goto2 [B] Goto1 [A] Goto [D] From8 [Operacion] From7 [Operacion] From6 [Operacion] From5 [Operacion] From4 [B] From3 [C] From2 [Operacion] From1 [A] From BIT #8 BIT #9 BIT #10 BIT #11 BIT #12 BIT #13 BIT #14 BIT #15 DS1103BIT_IN_G1 7 U_Aplicada 6 Operacion 5 POS_CAR 4 qd 3 error_lineal 2 q 1 Movimiento IFR IN10 IN8 IN9 EM6 VERIFICACION_CONTROL_PC Figura 6: Construcci´on del Bloque de Simulink para supervisi´on de alarmas. 1. •L´ımite de espacio de trabajo: esta emergencia se activar´a si la garra del robot se sale del espacio de trabajo definido. •L´ımite de velocidad: fija la velocidad m´axima de las articulaciones. •Sin Movimiento: Alarma que se activa en caso de no detectarse movimiento en alg´un eje cuando se le aplica un par suficientemente grande. Esta situaci´on, puede deberse a una incorrecta lectura por parte del encoder, o a una inadecuada desactivaci´on de los frenos. •Sin Control PC: aparecer´a esta alarma si se han quitado los frenos del robot y la tarjeta de conmutaci´on no ha activado el control desde PC. •Frenos Activados: produce una emergencia en caso de intentar controlar desde PC con los frenos activados. •Error lineal: activa una alarma si el error cometido entre la posici´on real del robot y la posici´on de referencia es excesivo. Indica que el controlador experimental no es capaz de llevar al robot manipulador por la trayectoria de referencia. La M´aquina de Estados.Este bloque se encarga de efectuar las transiciones entre los distintos estados del sistema y habilita al bloque de Eje ´ Angulo ´ Angulo del Robot m´ınimo m´aximo 1 -260 260 2 -100 0 3 -50 50 4 -140 140 5 -80 80 6 -140 140 Tabla 1: L´ımites de los ´angulos de las articulaciones del robot RM-10 en grados. control en caso de que el supervisor de alarmas no detecte un comportamiento anormal. Los distintos estados de funcionamiento est´an descritos a continuaci´on: Encendido. En el estado de reposo del sistema, el control est´a habilitado y los frenos est´an activos. Operaci´ on. El robot est´a habilitado y en espera de recibir se˜nales de control en los reguladores de velocidad. los frenos siguen activos. Movimiento Manual. Permite el control en velocidad de los motores del RM-10 por separado mediante unos pulsadores localizados en el panel del programa de control supervisor que se ver´a en la secci´on 5. No tiene aplicaci´on desde el punto de vista de implementaci´on de controladores, pero es impor- tante para situar el robot en posiciones iniciales Movimiento Trayectoria. Es el estado que hay que habilitar para utilizar los controladores desarrollados. El controlador que se est´a probando sigue la referencia generada en el generador de trayectorias a partir de la posici´on inicial de los ejes. Es posible permitir que deje de controlar al finalizar la trayectoria o bien que contin´ue manteniendo el robot est´atico en la posici´on final. Movimiento Frenado. durante la permanencia en este estado se pretende conseguir un correcto frenado del RM-10 tanto al finalizar un movimiento manual correcto como al producirse alguna alarma durante un movimiento (manual o autom´atico). Espera Frenos. Se ha introducido este estado intermedio para posibilitar una situaci´on de espera que asegure la entrada efectiva de los frenos del robot antes de finalizar el control. 5 CONTROL SUPERVISOR Y ADQUISICI ´ ON DE DATOS EN EL ORDENADOR Para llevar a cabo las tareas de supervisi´on durante los ensayos con el robot manipulador, se ha hecho uso de los programas Cockpit y Trace que proporciona dSPACE. Cockpit es un programa SCADA que permite, mediante un editor gr´afico, dise˜nar pantallas de explotaci´on de variables del modelo as´ı como su modificaci´on en tiempo real. En este proyecto se ha desarrollado un panel de control que permite: •visualizar medidas, como por ejemplo: lecturas de encoders, medidas de posici´on, error en posici´on y se˜nal de control. Tambi´en presenta la m´aquina de estados e indicadores de alarma de posibles fallos detectados. •Modificar variables del modelo de Simulink. A trav´es de elementos de edici´on se pueden variar par´ametros del controlador. Mediante pulsadores se controla en el panel el posicionamiento manual de cada eje en sentido positivo o negativo, la activaci´on del robot pasando a estado habilitado y el comienzo del seguimiento de la trayectoria con el controlador experimental al activar el modo autom´atico. En la figura 7 aparece la composici´on de la pantalla del panel de control. En la aplicaci´on Trace de dSPACE se representa la evoluci´on de cualquier variable definida previamente en el modelo de Simulink. Esta herramienta permite representar gr´aficamente valores relevantes del ensayo y comprobar el funcionamiento del controlador. En la figura 8 puede observarse la pantalla donde se representan los valores de posici´on angular, velocidad angular y se˜nal de control para los ejes 4 a 6. En concreto, en dicha figura, aparecen se˜naladas la evoluci´on de la velocidad angular y la se˜nal de control aplicada del eje 6. Con la pantalla de selecci´on se puede elegir, para representar gr´aficamente, cualquier variable del modelo de Simulink. 6 DESARROLLOS FUTUROS La biblioteca Clib de la tarjeta dSPACE abre nuevas posibilidades de ampliaci´on y mejora del equipo. En esta biblioteca est´an incluidas funciones en C que permiten la lectura y escritura (en tiempo de ejecuci´on) de variables de la tarjeta de control dSPACE desde el ordenador. En esta l´ınea de trabajo, se est´a empezando a desarrollar un sistema de seguimiento visual para el brazo manipulador mediante la incorporaci´on de un sistema de visi´on. Asimismo, se pretende hacer uso de esta plataforma para la implementaci´on de diversos controladores en v´ıas de investigaci´on en los campos del control robusto, no lineal, etc. que incluyen el estudio de modelos de fricci´on. Agradecimientos Este trabajo ha sido financiado por el proyecto CICYT TAP98-0541 y por el proyecto FEDER 1FD97-C Referencias [1] John J. Craig, Introduction to robotics: Mechanics and control, Addison Wesley, 1989. [2] dSPACE, Matlab-dspace interface libraries, Manual, 1999. [3] K.S. Fu, R.C. Gonzalez, and C.S.G. Lee, Rob´otica, control, detecci´on, visi´on e inteligencia, McGraw Hill, 1989. [4] C. P´erez, Simulaci´on y control de un robot manipulador, Escuela Superior de Ingenieros, Universidad de Sevilla, 1999. [5] System Robot, Manuale d’uso rm10, 1991. Figura 7: Programa SCADA para la supervisi´on de ensayos con el Robot Manipulador de experimentaci´on. Figura 8: Aplicaci´on para visualizar la evoluci´on de variables definidas en el modelo de Simulink.