Joint position control strategy validation applied in a 6 DOF simulated robotic arm

Esta investigación pretende validar un controlador de posición multivariante desacoplado para las distintas articulaciones de un brazo robótico de 6 DOFs de Universal Robots. El modelado del brazo robótico (la planta) se consigue mediante un conjunto de funciones de transferencia que representan los...

Full description

Autores:
Velasquez Rios, Jorge Alejandro
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2024
Institución:
Universidad Tecnológica de Pereira
Repositorio:
Repositorio Institucional UTP
Idioma:
eng
OAI Identifier:
oai:repositorio.utp.edu.co:11059/15211
Acceso en línea:
https://hdl.handle.net/11059/15211
https://repositorio.utp.edu.co/home
Palabra clave:
620 - Ingeniería y operaciones afines::629 - Otras ramas de la ingeniería
Robótica - Factores humanos
Manos robóticas
Transfer functions
Decoupled multivariate position controller
6 DOFs Universal Robots robotic arm
Transfer functions
Motors driving each joint
Flexible calibration
Continuous-time validation
Simulink
Discrete-time validation
Unity
Interactive 3D simulation
Dual-environment strategy
Real-world conditions
Design and testing process
Calibration points
Operating scenarios
Accurate position control
Reliable position control
Industrial applications
Rights
openAccess
License
Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
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description Esta investigación pretende validar un controlador de posición multivariante desacoplado para las distintas articulaciones de un brazo robótico de 6 DOFs de Universal Robots. El modelado del brazo robótico (la planta) se consigue mediante un conjunto de funciones de transferencia que representan los motores que accionan cada articulación. Este enfoque permite una calibración flexible y la adaptación a diversas configuraciones. La validación del controlador se lleva a cabo en dos entornos distintos para comprender el comportamiento del controlador en diferentes contextos temporales. La validación en tiempo continuo se lleva a cabo con Simulink, mientras que la validación en tiempo discreto se realiza en Unity, que permite una simulación 3D interactiva. Esta estrategia de doble entorno permite conocer el comportamiento del controlador en condiciones reales y facilita el proceso de diseño y ensayo. El proyecto se divide en tres etapas clave, cada una de las cuales sirve como punto de calibración para evaluar el rendimiento del controlador. Estas etapas simulan distintos escenarios de funcionamiento, garantizando que el controlador pueda adaptarse a tareas y condiciones variadas. El objetivo final es garantizar que el controlador pueda mantener un control de posición preciso y fiable para una amplia gama de aplicaciones industriales.
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_version_ 1814021996459065344
spelling Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)Manifiesto (Manifestamos) en este documento la voluntad de autorizar a la Biblioteca Jorge Roa Martínez de la Universidad Tecnológica de Pereira la publicación en el Repositorio institucional (http://biblioteca.utp.edu.co), la versión electrónica de la OBRA titulada: La Universidad Tecnológica de Pereira, entidad académica sin ánimo de lucro, queda por lo tanto facultada para ejercer plenamente la autorización anteriormente descrita en su actividad ordinaria de investigación, docencia y publicación. La autorización otorgada se ajusta a lo que establece la Ley 23 de 1982. Con todo, en mi (nuestra) condición de autor (es) me (nos) reservo (reservamos) los derechos morales de la OBRA antes citada con arreglo al artículo 30 de la Ley 23 de 1982. En concordancia suscribo (suscribimos) este documento en el momento mismo que hago (hacemos) entrega de mi (nuestra) OBRA a la Biblioteca “Jorge Roa Martínez” de la Universidad Tecnológica de Pereira. Manifiesto (manifestamos) que la OBRA objeto de la presente autorización es original y la realicé (realizamos) sin violar o usurpar derechos de autor de terceros, por lo tanto, mi (nuestra) OBRA es de exclusiva autoría y tiene la titularidad sobre la misma. PARAGRAFO: En caso de presentarse cualquier reclamación o acción por parte de un tercero en cuanto a los derechos de autor sobre la OBRA en cuestión, El (los) Autor(es), asumirá (n) toda la responsabilidad, y saldrá (n) en defensa de los derechos aquí autorizados. Para todos los efectos La Universidad actúa como un tercero de buena fe. Manifiesto (manifestamos) que soy (somos) conocedor (es) del alcance mundial de la publicación de mi (nuestra) obra en internet y específicamente en el Repositorio Institucional. Manifiesto (manifestamos) que mi (nuestra) OBRA no está limitada ni protegida por ningún acuerdo de confidencialidad, no es un secreto industrial, no es una invención patentable y no cuenta con ningún otro tipo de restricción para su publicación. Acepto (aceptamos) que la autorización se hace a título gratuito, por lo tanto, renuncio (renunciamos) a recibir pago alguno por su distribución, comunicación pública y cualquier otro uso que se haga en los términos de la presente licencia. Autorizo (autorizamos) a la Universidad Tecnológica de Pereira para incluir la presente OBRA en los índices y buscadores que la Universidad estime convenientes para su visibilidad. Acepto (aceptamos) que la Universidad Tecnológica de Pereira convierta el documento en cualquier medio o formato para su preservación digital. En constancia de lo anterior, autorizo (autorizamos) publicar mi (nuestra) OBRA bajo las Licencias Creative Commons 4.0 (cuyo texto se puede consultar en: http://creativecommons.org/licenses/): Se autoriza el uso comercial de mi (nuestra) OBRA: SI____ NO_____ Se autorizan modificaciones de mi (nuestra) OBRA: SI____ NO_____ “Los derechos de autor recaen sobre las obras científicas, literarias y artísticas en las cuales se comprenden las creaciones del espíritu en el campo científico, literario y artístico, cualquiera que sea el modo o forma de expresión y cualquiera que sea su destinación, tales como: los libros, folletos y otros escritos; las conferencias, alocuciones, sermones y otras obras de la misma naturaleza; las obras dramáticas o dramático-musicales; las obras coreográficas y las pantomimas; las composiciones musicales con letra o sin ella; las obras cinematográficas, a las cuales se asimilan las obras expresadas por procedimiento análogo a la cinematografía, inclusive los videogramas, las obras de dibujo, pintura, arquitectura, escultura, grabado, litografía; las obras fotográficas a las cuales se asimilan las expresas por procedimiento análogo o la fotografía; las obras de artes plásticas; las ilustraciones, mapas, planos, croquis y obras plásticas relativas a la geografía, a la topografía a la arquitectura o a las ciencias, en fin, toda producción del dominio científico, literario o artístico que puedan producirse o definirse por cualquier forma de impresión o de reproducción, por fonografía, radiotelefonía o cualquier otro medio conocido o por conocer”. (Artículo 2 de la ley 23 de 1982).https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/http://purl.org/coar/access_right/c_abf2info:eu-repo/semantics/openAccessGiraldo Suárez, EduardoVelarde Gomez, SergioVelasquez Rios, Jorge Alejandro2024-07-16T16:55:41Z2024-07-16T16:55:41Z2024https://hdl.handle.net/11059/15211Universidad Tecnológica de PereiraRepositorio Universidad Tecnológica de Pereirahttps://repositorio.utp.edu.co/homeEsta investigación pretende validar un controlador de posición multivariante desacoplado para las distintas articulaciones de un brazo robótico de 6 DOFs de Universal Robots. El modelado del brazo robótico (la planta) se consigue mediante un conjunto de funciones de transferencia que representan los motores que accionan cada articulación. Este enfoque permite una calibración flexible y la adaptación a diversas configuraciones. La validación del controlador se lleva a cabo en dos entornos distintos para comprender el comportamiento del controlador en diferentes contextos temporales. La validación en tiempo continuo se lleva a cabo con Simulink, mientras que la validación en tiempo discreto se realiza en Unity, que permite una simulación 3D interactiva. Esta estrategia de doble entorno permite conocer el comportamiento del controlador en condiciones reales y facilita el proceso de diseño y ensayo. El proyecto se divide en tres etapas clave, cada una de las cuales sirve como punto de calibración para evaluar el rendimiento del controlador. Estas etapas simulan distintos escenarios de funcionamiento, garantizando que el controlador pueda adaptarse a tareas y condiciones variadas. El objetivo final es garantizar que el controlador pueda mantener un control de posición preciso y fiable para una amplia gama de aplicaciones industriales.This research seeks to validate a decoupled multivariate position controller for the various joints of a 6 DOFs Universal Robots robotic arm. The modeling of the robotic arm (the plant) is achieved through a set of transfer functions that represent the motors driving each joint. This approach allows for flexible calibration and adaptation to various configurations. The Controller's validation is carried out in two distinct environments to understand the behavior of the controller in different time contexts. Continuous-time validation is conducted using Simulink, while discrete-time validation is done in Unity, which allows for an interactive 3D simulation. This dual-environment strategy offers insights into how the controller performs under real-world conditions, and also facilitates the design and testing process. The project is divided into three key stages, each serving as a calibration point to assess the controller's performance. These stages simulate different operating scenarios, ensuring that the controller can adapt to varied tasks and conditions. The ultimate goal is to ensure that the controller can maintain accurate and reliable position control for a wide range of industrial applications.1 Introduction 2 1.1 Problem Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Justification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3.1 General objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3.2 Specific objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 Kinematic Analysis for a UR5e 6DOF Robotic Arm 9 2.1 Kinematic Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.1 Denavit-Hartenberg Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2 Forward Kinematics (FK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3 Inverse Kinematics (IK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3 Environment Configuration 16 3.1 Simulink Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.1.1 RigidBody-tree data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1.2 Simscape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1.3 Robotic System Toolbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.4 Simulink Subsystems implementation . . . . . . . . . . . . . . 20 3.1.5 Movement Subsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1.6 Stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2 Onshape-Unity Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.1 Onshape 3d model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.2 Unity design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4 Analysis and Control of the simulated UR5e robotic arm 28 4.1 Continous time Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.2 Discrete time controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5 Conclusions and Final Remarks 38PregradoIngeniero(a) Electricista52 Páginasapplication/pdfengUniversidad Tecnológica de PereiraIngeniería EléctricaFacultad de IngenieríasPereira620 - Ingeniería y operaciones afines::629 - Otras ramas de la ingenieríaRobótica - Factores humanosManos robóticasTransfer functionsDecoupled multivariate position controller6 DOFs Universal Robots robotic armTransfer functionsMotors driving each jointFlexible calibrationContinuous-time validationSimulinkDiscrete-time validationUnityInteractive 3D simulationDual-environment strategyReal-world conditionsDesign and testing processCalibration pointsOperating scenariosAccurate position controlReliable position controlIndustrial applicationsJoint position control strategy validation applied in a 6 DOF simulated robotic armTrabajo de grado - Pregradoinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTextinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisAndrew J Kurdila and Pinhas Ben-Tzvi. 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La autorización otorgada se ajusta a lo que establece la Ley 23 de 1982. Con todo, en mi (nuestra) condición de autor (es) me (nos) reservo (reservamos) los derechos morales de la OBRA antes citada con arreglo al artículo 30 de la Ley 23 de 1982. En concordancia suscribo (suscribimos) este documento en el momento mismo que hago (hacemos) entrega de mi (nuestra) OBRA a la Biblioteca “Jorge Roa Martínez” de la Universidad Tecnológica de Pereira. Manifiesto (manifestamos) que la OBRA objeto de la presente autorización es original y la realicé (realizamos) sin violar o usurpar derechos de autor de terceros, por lo tanto, mi (nuestra) OBRA es de exclusiva autoría y tiene la titularidad sobre la misma. PARAGRAFO: En caso de presentarse cualquier reclamación o acción por parte de un tercero en cuanto a los derechos de autor sobre la OBRA en cuestión, El (los) Autor(es), asumirá (n) toda la responsabilidad, y saldrá (n) en defensa de los derechos aquí autorizados. Para todos los efectos La Universidad actúa como un tercero de buena fe. Manifiesto (manifestamos) que soy (somos) conocedor (es) del alcance mundial de la publicación de mi (nuestra) obra en internet y específicamente en el Repositorio Institucional. Manifiesto (manifestamos) que mi (nuestra) OBRA no está limitada ni protegida por ningún acuerdo de confidencialidad, no es un secreto industrial, no es una invención patentable y no cuenta con ningún otro tipo de restricción para su publicación. Acepto (aceptamos) que la autorización se hace a título gratuito, por lo tanto, renuncio (renunciamos) a recibir pago alguno por su distribución, comunicación pública y cualquier otro uso que se haga en los términos de la presente licencia. Autorizo (autorizamos) a la Universidad Tecnológica de Pereira para incluir la presente OBRA en los índices y buscadores que la Universidad estime convenientes para su visibilidad. 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En constancia de lo anterior, autorizo (autorizamos) publicar mi (nuestra) OBRA bajo las Licencias Creative Commons 4.0 (cuyo texto se puede consultar en: http://creativecommons.org/licenses/): Se autoriza el uso comercial de mi (nuestra) OBRA: SI____ NO_____ Se autorizan modificaciones de mi (nuestra) OBRA: SI____ NO_____ “Los derechos de autor recaen sobre las obras científicas, literarias y artísticas en las cuales se comprenden las creaciones del espíritu en el campo científico, literario y artístico, cualquiera que sea el modo o forma de expresión y cualquiera que sea su destinación, tales como: los libros, folletos y otros escritos; las conferencias, alocuciones, sermones y otras obras de la misma naturaleza; las obras dramáticas o dramático-musicales; las obras coreográficas y las pantomimas; las composiciones musicales con letra o sin ella; las obras cinematográficas, a las cuales se asimilan las obras expresadas por procedimiento análogo a la cinematografía, inclusive los videogramas, las obras de dibujo, pintura, arquitectura, escultura, grabado, litografía; las obras fotográficas a las cuales se asimilan las expresas por procedimiento análogo o la fotografía; las obras de artes plásticas; las ilustraciones, mapas, planos, croquis y obras plásticas relativas a la geografía, a la topografía a la arquitectura o a las ciencias, en fin, toda producción del dominio científico, literario o artístico que puedan producirse o definirse por cualquier forma de impresión o de reproducción, por fonografía, radiotelefonía o cualquier otro medio conocido o por conocer”. (Artículo 2 de la ley 23 de 1982).open.accesshttps://dspace7-utp.metabuscador.orgRepositorio de la Universidad Tecnológica de 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