TCCgrad
Estimação de força de um manipulador de 2GdL usando filtro de kalman unscented
Autor
Miguel, Felipe Antonio
Institución
Resumen
TCC (graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau. Engenharia de Controle e Automação A evolução das soluções robóticas implicam na interação com meio, surge desta maneira
a necessidade de medir a força de contato com os robôs. Manipuladores industriais
contam com sensores de força sofisticados, mas também de alto valor e peso considerável.
Por outro lado, a robótica móvel traz consigo a necessidade de soluções mais baratas e
com menor peso. Uma abordagem para contornar a questão é o emprego de observadores
de estado, que permitem a partir de algumas medidas estimar o valor de variáveis
de interesse. Assim, neste trabalho trata-se do problema de estimação de força de um
manipulador de 2 GdL, que foi escolhido como objeto de estudo devido sua simplicidade
e aplicabilidade em robôs de pequeno porte, como é o caso por exemplo de quadrotor.
A solução parte do desenvolvimento dos modelos cinemático e dinâmico do manipulador,
seguido da síntese de um controlador, para então passar para o desenvolvimento de um
estimador de estado. Neste trabalho, optou-se pelo filtro de Kalman Unscented pelo seu
bom desempenho com sistemas não lineares. Os resultados são apresentados para comprovar
o desempenho da proposta, que se mostrou satisfatória. Desta forma, ao utilizar o
modelo matemático de um manipulador robótico de 2 graus de liberdade em conjunto com
um estimador de estados, é possível obter a força no efetuador final em relação aos torques
dos motores. Para o modelo matemático utilizou-se a formulação de Euler-Lagrange bem
como as técnicas de cinemática direta e diferencial. Para o controle utilizou-se as técnicas
do controle de torque computado e para a síntese do observador de estados utilizou-se o
filtro de Kalman em seu formato para equações não lineares. Por fim, é possível realizar
a comprovação da medição via software MATLAB, o qual gerou resultados e gráficos de
acordo com o esperado pela teoria. The evolution of robotic solutions implies interaction with the environment, hence
the need to measure the contact force between the robot. Industrial manipulators have
sophisticated force sensors, but also of high value and considerable weight. In contrast,
mobile robotics brings with it the need for cheaper and more slights solutions. One
approach to solve the problem is the use of state observers, which allow, from some
measurements, to estimate the value of variables of interest. Then, this work deals with
the problem of estimating the force of a 2 DoF manipulator, which was chosen as an object
of study due to its simplicity and applicability in small robots, as is the case for example
of quadrotor. The solution starts with the development of the kinematic and dynamic
models of the manipulator, followed by the synthesis of a controller, and then moves on
to the development of a state estimator. In this work, the Kalman Unscented filter was
chosen for it is good performance with nonlinear systems. The results are presented to
prove the performance of the proposal, which proved to be satisfactory. In this way,
when using the mathematical model of a robotic manipulator with 2 degrees of freedom
together with a state estimator, it is possible to obtain the force in the end effector in
relation to the torques of the motors. For the mathematical model, the formulation of
Euler-Lagrange was used, as well as the techniques of direct and differential kinematics.
For the control, the techniques of computed torque control were used and for the synthesis
of the state observer, the Kalman filter was used in it is format for nonlinear equations.
Finally, it is possible to verify the measurement via MATLAB software, which generated
results and graphs as expected by the theory.