Otimização do desempenho dinâmico de um manipulador robótico planar em série com redundância no espaço das tarefas

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Oliveira, Gustavo Corrêa de
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/15867
Resumo: Robotic manipulators are increasingly present in current industrial activities. They are used in tasks such as: painting, drilling and welding operations, material handling, etc. Although these robots are widely used, their tasks are often not performed optimally. There are different characteristics that can be used to define the optimization of a manipulator, such as manipulability, torque, energy, conditioning, among others. Task space redundancy occurs when the end-effector has more degrees of freedom than the task needs, so it is possible to optimize performance using the excess degrees of freedom. This excess of degrees of freedom defines a problem with infinite solutions for the robot joint positions. Defining these positions through an optimization process is called redundancy resolution. There are two types of resolution: local and global. The local observes the gradient of a cost function at each instant of time and decides the joint positions from that. The global one observes a cost function throughout the task execution period to define these positions. Therefore, this work aims to study a planar serial robotic manipulator using task space redundancy to optimize its dynamic performance in order to compare the different redundancy resolution methods. The local and global methods were compared with each other and with the performance of a non-redundant robotic manipulator. In addition to this analysis, the impact of other factors on the optimization of dynamic performance was studied, such as the initial orientation of the end-effector and the use of a weighting factor for gravitational forces in the dynamic equations. The manipulator implementation, simulation and optimization were done using the software MATLAB. The results obtained indicate that the resolution of the redundancy by the local method presented a better dynamic performance and that the joint optimization of the initial orientation and of the weighting factor of the gravitational forces collaborates for this.
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There are different characteristics that can be used to define the optimization of a manipulator, such as manipulability, torque, energy, conditioning, among others. Task space redundancy occurs when the end-effector has more degrees of freedom than the task needs, so it is possible to optimize performance using the excess degrees of freedom. This excess of degrees of freedom defines a problem with infinite solutions for the robot joint positions. Defining these positions through an optimization process is called redundancy resolution. There are two types of resolution: local and global. The local observes the gradient of a cost function at each instant of time and decides the joint positions from that. The global one observes a cost function throughout the task execution period to define these positions. Therefore, this work aims to study a planar serial robotic manipulator using task space redundancy to optimize its dynamic performance in order to compare the different redundancy resolution methods. The local and global methods were compared with each other and with the performance of a non-redundant robotic manipulator. In addition to this analysis, the impact of other factors on the optimization of dynamic performance was studied, such as the initial orientation of the end-effector and the use of a weighting factor for gravitational forces in the dynamic equations. The manipulator implementation, simulation and optimization were done using the software MATLAB. The results obtained indicate that the resolution of the redundancy by the local method presented a better dynamic performance and that the joint optimization of the initial orientation and of the weighting factor of the gravitational forces collaborates for this.Manipuladores robóticos estão cada vez mais presentes nas atividades industriais da atualidade. Eles são utilizados em tarefas como: pintura, operação de furação e soldagem, movimentação de cargas etc. Apesar desses robôs serem amplamente empregados, muitas vezes suas tarefas não são executadas de maneira otimizada. Existem diferentes características que podem ser utilizadas para definir a otimização de um manipulador, como manipulabilidade, torque, energia, condicionamento, entre outras. A redundância no espaço das tarefas ocorre quando o efetuador final possui mais graus de liberdade do que a tarefa necessita, assim é possível otimizar o desempenho utilizando os graus de liberdade excedentes. Esse excesso de graus de liberdade define um problema com infinitas soluções para as posições das juntas do robô. A definição dessas posições através de um processo de otimização é chamada de resolução da redundância. Existem dois tipos de resolução: local e global. A local observa o gradiente de uma função custo a cada instante de tempo e decide as posições das juntas a partir disso. Já a global observa uma função custo ao longo de todo o período de execução da tarefa para definir essas posições. Sendo assim, esse trabalho tem como objetivo estudar um manipulador robótico planar em série utilizando redundância no espaço das tarefas para otimizar seu desempenho dinâmico a fim de comparar os diversos métodos de resolução da redundância. Os métodos local e global foram comparados entre si e com o desempenho de um manipulador não redundante. Além dessa análise, foi estudado o impacto de outros fatores na otimização do desempenho dinâmico, como a orientação inicial do efetuador final e a utilização de um fator de ponderação das forças gravitacionais nas equações dinâmicas. A implementação do manipulador, simulação e otimização foram feitas utilizando o software MATLAB. Os resultados obtidos apontam que a resolução da redundância pelo método local apresentou um melhor desempenho dinâmico e que a otimização conjunta da orientação inicial e do fator de ponderação das forças gravitacionais colabora para isso.Não recebi financiamentoporUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosEngenharia Mecânica - EMecUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessManipulador robóticoResolução da redundânciaOtimizaçãoRobotic manipulatorRedundancy resolutionOptimizationOUTROS::ENGENHARIA MECATRONICAOtimização do desempenho dinâmico de um manipulador robótico planar em série com redundância no espaço das tarefasDynamic performance optimization of a serial planar robotic manipulator with task space redundancyinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis600600f30337d3-cf38-40b7-a663-7055c78a90careponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTCC_Gustavo_2022.pdfTCC_Gustavo_2022.pdfapplication/pdf10427835https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/15867/1/TCC_Gustavo_2022.pdfdb467abad9570fadb75c4ee95ce07c38MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/15867/2/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD52TEXTTCC_Gustavo_2022.pdf.txtTCC_Gustavo_2022.pdf.txtExtracted texttext/plain121137https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/15867/3/TCC_Gustavo_2022.pdf.txt050442423fb64f62e0044c0c4881429cMD53THUMBNAILTCC_Gustavo_2022.pdf.jpgTCC_Gustavo_2022.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6698https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/15867/4/TCC_Gustavo_2022.pdf.jpgee1f94eab976a764c7793396109241caMD54ufscar/158672023-09-18 18:32:16.263oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/15867Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:16Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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