Dissertationen zum Thema „Computed Torque Control“

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO
CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO
Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um controle híbrido de um robô do tipo humanoide Atlas em regime de locomoção estática para a frente. Nos experimentos faz-se uso do ambiente de simulação Gazebo, que permite uma modelagem precisa do robô. O sistema desenvolvido é composto pela modelagem da mecânica do robô, incluindo as equações da dinâmica que permitem o controle das juntas por torque computado, e pela determinação das posições que as juntas devem assumir. Isto é realizado por agentes que utilizam o algoritmo de aprendizado por reforço Q-Learning aproximado para planejar a locomoção do robô. A definição do espaço de estados, que compõe cada agente, difere da cartesiana tradicional e é baseada no conceito de pontos cardeais para estabelecer as direções a serem seguidas até o objetivo e para evitar obstáculos. Esta definição permite o uso de um ambiente simulado reduzido para treinamento, fornecendo aos agentes um conhecimento prévio à aplicação no ambiente real e facilitando, em consequência, a convergência para uma ação dita ótima em poucas iterações. Utilizam-se, no total, três agentes: um para controlar o deslocamento do centro de massa enquanto as duas pernas estão apoiadas ao chão, e outros dois para manter o centro de massa dentro de uma área de tolerância de cada um dos pés na situação em que o robô estiver apoiado com apenas um dos pés no chão. O controle híbrido foi também concebido para reduzir as chances de queda do robô durante a caminhada mediante o uso de uma série de restrições, tanto pelo aprendizado por reforço como pelo modelo da cinemática do robô. A abordagem proposta permite um treinamento eficiente em poucas iterações, produz bons resultados e assegura a integridade do robô.
This dissertation presents the development of a hybrid control for an Atlas humanoid robot moving forward in a static locomotion regime. The Gazebo simulation environment used in the experiments allows a precise modeling of the robot. The developed system consists of the robot mechanics modeling, including dynamical equations that allow the control of joints by computed-torque and the determination of positions the joints should take. This is accomplished by agents that make use of the approximate Q-Learning reinforcement learning algorithm to plan the robot s locomotion. The definition of the state space that makes up each agent differs from the traditional cartesian one and is based on the concept of cardinal points to establish the directions to be followed to the goal and avoid obstacles. This allows the use of a reduced simulated environment for training, providing the agents with prior knowledge to the application in a real environment and facilitating, as a result, convergence to a so-called optimal action in few iterations. Three agents are used: one to control the center of mass displacement when the two legs are poised on the floor and other two for keeping the center of mass within a tolerance range of each of the legs when only one foot is on the ground. In order to reduce the chance of the robot falling down while walking the hybrid control employs a number of constraints, both in the reinforcement learning part and in the robot kinematics model. The proposed approach allows an effective training in few iterations, achieves good results and ensures the integrity of the robot.

Modern motion controllers of robot manipulators require knowledge of the system's dynamics in order to intelligently predict the torque command. The main objective for this thesis is to apply various motion controllers on a parallel direct drive robot in simulations and verify if one can take advantage of the model knowledge to improve performance of controllers. The controllers used in this thesis varied from simple PD control with position and velocity reference only applied independently at each joint to more advanced PD control with full dynamic feedforward term and computed torque control, which incorporate full dynamic knowledge of the manipulator. In the first part, a thorough study of deriving dynamic equation using Lagrange formulation has been presented as well as the actual derivation of dynamic equations for MINGUS2000. Next, in order to prepare proper sets of inputs for the simulations, detailed discussions of end effector trajectory path planning and inverse kinematics determination have been presented. Finally, background theories of various controllers used in this thesis have been presented and their simulation results on the closed-chain direct drive robot have been compared for verification purposes.

Este trabalho apresenta uma comparação entre as estratégias de controle por torque calculado e controle repetitivo aplicadas a manipuladores robóticos. O objetivo no uso desses controladores é para que o manipulador siga referência de trajetória periódica no espaço das juntas. O desenvolvimento e implementação dos controladores são focados no manipulador WAM (Whole Arm Manipulator) da Barrett Technology®Inc. Neste trabalho, também são apresentadas uma formulação do modelo não linear do manipulador e as sínteses dos controladores por torque calculado e repetitivo aplicados ao modelo do manipulador linearizado por realimentação. O controlador por torque calculado é apresentado e sintetizado na sua forma clássica. Para o controlador repetitivo, a síntese parte do princípio do modelo interno com a adição de uma estrutura repetitiva e uma realimentação proporcional e derivativa do erro de seguimento de referência O projeto dos ganhos do controlador repetitivo é feito através de um problema de otimização convexa com restrições na forma de inequações matriciais lineares (ou no inglês: Linear Matrix Inequalities - LMI). A formulação do problema de otimização parte da teoria de estabilidade segundo Lyapunov com um funcional Lyapunov-Krasoviskii, adição de um custo quadrático, para ajuste de desempenho, e de um critério de desempenho transitório dado pela taxa de decaimento exponencial da norma dos estados. É apresentada a comparação entre as estratégias de controle e a validação do controlador repetitivo proposto aplicado ao caso com linearização perfeita e ao caso com o modelo não linear do manipulador. No primeiro caso, é feita a simulação do modelo linear do manipulador com adição de um torque de atrito na junta. No segundo caso, é utilizado o sistema ROS (Robot Operating System) com o programa Gazebo simulando o manipulador WAM considerando erros de linearização, isto é, incertezas paramétricas.
This work presents a comparison between the strategies of computed-torque control and repetitive control applied to robotic manipulators. The main objective in use these controllers with the manipulator is to tracking periodic trajectory in joint space. The development and implementation of controllers are focused on the Whole Arm Manipulator (WAM) of the Barrett Technology®Inc. Also featured are a non-linear model formulation of the manipulator and the synthesis of controllers for computed-torque control and repetitive control applied to the manipulator model linearized by state feedback. The computed-torque controller is presented in its classic form. For the repetitive controller, the synthesis is based on the internal model principle with the addition of a repetitive structure and a proportional-derivative reference tracking error feedback. The design of the repetitive controller gains is done through a convex optimization problem with linear matrix inequalities (LMI) constraints. The formulation of the optimization problem is based on the Lyapunov stability theory using a Lyapunov-Krasoviskii functional, addition of a quadratic cost for performance adjustment and a transient performance criteria given by the exponential decay rate of the states norm. A comparison between the control strategies and the validation of the repetitive controller applied to the case with perfect linearization and the case with the non-linear model of the manipulator are presented. In the first case, is made simulations of the linear model of the manipulator in MATLAB program, with the addition of a disturbance modeling the friction torque at the joint. In the second case, is used the Robot Operating System (ROS) with Gazebo program simulating the WAM nonlinear model. In this case, a possible mismatch between the model used for the feedback linearization and the real system is taken into account.

El siguiente trabajo busca desarrollar y testear un controlador para un robot móvil con fines agrícolas. Enmarcado en un proyecto más grande, que actualmente desarrolla un prototipo de robot móvil con desplazamiento autónomo para colaborar en las tareas agropecuarias, este trabajo parte de las ecuaciones cinemáticas desarrolladas para este prototipo y desarrolla una estrategia de control mediante torque computado para el desplazamiento autónomo del vehículo en el medio y se realizan simulaciones de las mismas. Realizado este trabajo y obteniendo resultados certeros se deja todo pronto para continuar con la instancia experimental en el prototipo.
The following dissertation tries to develop and test a movil robot controller for agricultural purposes. Framed in a bigger proyect that is currently developing a mobile robot prototype with autonomous movement to help with agricultural work, this work starts in the kinematic equations developed for the prototype and develops a control strategy through computed torque control for the autonomous movement of the vehicle and simulations are performed of such computation. With this work finished and with the results obtained is ready to continue with the experimental instance in the prototype.

Este trabalho trata da implementação de uma técnica de controle robusto, Síntese-μ em um robô manipulador de três graus de liberdade com juntas passivas. A necessidade de um de controle robusto se deve ao fato de que em uma aplicação real o sistema está sujeito a mudanças nos seus parâmetros internos e a distúrbios externos (ruído dos sensores, etc). Aqui, uma metodologia de controle robusto que combina o método do torque computado e controladores robustos projetados via Síntese-μ é proposta e utilizada com êxito. O equacionamento matemático da distância do sistema é apresentado e a linearização é realizada pela realimentação de estados presentes no método. Uma abordagem dos conceitos teóricos presentes na teoria de Síntese-μ é feita e um procedimento de projeto é apresentado. Modelos nominais para diferentes configurações do robô são definidos e controladores robustos são projetados utilizando o método de iterações D-K. O teste e a validação dos controladores projetados são verificados em um ambiente de simulação e também no manipulador experimental UArmII (Underactuated Robot Manipulator II), que é um robô manipulador (equipado com 3 juntas, atuadores e freios) projetado para o estudo de dinâmicas passivas.
This work deals with implementation of a robust control technique, μ-Synthesis, in a mani- pulator robot with three degrees of freedom and passive joints. The necessity of a robust control is due to the fact that in a real application the system is subject to changes in its internal parameters and external disturbances (sensor noise, etc). Here, a robust control methodology that combines the computed torque method and robust controllers designed via μ-Synthesis is proposal and used with success. The mathematical formulation of the system dynamics is presented and the linearization is accomplished by the state feedback included in the method. An overview of theoretical concepts presents in the μ-Synthesis theory is made and a design procedure is presented. Nominal models for all robot\'s configurations are defined and robust controllers are designed using the D-K iterations method. The test and validation of the controllers are realized in a simulation environment and also in the experimental manipulator UArmII (Underactuated Robot Manipulator II), that is a robot manipulator (equipped with 3 joints, actuators and brakes) projected for the study of passive dynamics.

O mecanismo 3-RPS é um mecanismo paralelo que possui três graus de liberdade: rolagem, arfagem e elevação. Tem vantagem em relação ao custo em comparação com o manipulador Plataforma de Stewart em aplicações onde não são necessários seis graus de liberdade e, por ser um mecanismo paralelo, possui maior relação peso/capacidade de carga que robôs seriais. No presente trabalho, um estudo é realizado para a concepção de um robô do tipo 3-RPS. O estudo aborda a cinemática, a dinâmica e estratégia de controle para o robô. Um controle por torque computado é aplicado a um modelo virtual em ambiente CAD em escala 1:1 desenvolvido com o intuito de testar a estratégia de controle elaborada a partir da realização de simulações computacionais do sistema por completo. Ao todo foram realizadas sete simulações para diferentes condições de trajetórias desejadas. No Caso I executou-se primeiramente um sistema idealizado onde o erro de regime tendeu a zero para um comportamento subamortecido. Os ganhos calculados no Caso I idealizado foram aplicados então no Caso I com o modelo virtual onde verificou-se que os ganhos calculados não foram suficientes para garantir a trajetória desejada do robô. Com os ganhos aumentados em cem vezes, verificou-se que o erro de regime ficou na ordem de 0,22 mm, sendo o valor considerado aceitável. Nas simulações subsequentes, o erro de regime nos Casos II e III foram também de 0,22 mm e nos Casos IV, V, VI e VII o erro máximo de trajetória não ultrapassou os 0,22 mm estipulados.
The 3-RPS mechanism is a parallel mechanism that has three degrees of freedom: roll, pitch and heave. It has a cost advantage compared to the Stewart Platform manipulator in applications where six degrees of freedom are not required and, because it is a parallel mechanism, has a higher weight / load ratio than serial robots. In the present work, a study is carried out for the design of a 3-RPS robot. The study addresses the kinematics, dynamics and control strategy for the robot. A computed torque control is applied to a 1:1 scale virtual CAD model developed with the purpose of testing the control strategy elaborated from the computational simulations of the entire system. Seven simulations were performed for different conditions of desired trajectories. In Case I, an idealized system was first run where the regime error tended to zero for an underdamped behavior. The calculated gains in Case I idealized were then applied in Case I with the virtual model where it was verified that the calculated gains were not enough to guarantee the desired trajectory of the robot. With gains increased by one hundred times, it was found that the regime error was 0.22 mm, and the value was considered acceptable. In the subsequent simulations, the regime error in Cases II and III were also 0.22 mm and in Cases IV, V, VI and VII the maximum error of trajectory did not exceed the stipulated 0.22 mm.

O mecanismo Plataforma de Stewart é um manipulador do tipo paralelo, com seis graus de liberdade, boa relação peso/carga e alta rigidez. Tais características conferem a este tipo de manipulador propriedades superiores de precisão em relação aos manipuladores seriais. Neste trabalho, o controle de um Manipulador Plataforma de Stewart (MPS) acionado por atuadores hidráulicos é estudado com o objetivo de compensação de movimentos para viabilização de transferência de cargas e pessoas em ambiente naval.Visando ao desenvolvimento de um protótipo experimental, o manipulador é estudado considerando a situação em que se encontra sobreposto a um segundo MPS que tem por objetivo simular o movimento da maré, sendo ambos MPS considerados desacoplados dinamicamente. Neste contexto, o estudo envolve a análise cinemática e dinâmica do manipulador incluindo, também, a dinâmica dos cilindros hidráulicos. Além disso, são estudadas unidades de medição inercial (IMU) utilizando-as como instrumento para medição do movimento da base a ser compensado. O projeto do controlador do sistema de atenuação de movimento faz uso da técnica de Torque Computado (TC). A análise de estabilidade, feita separadamente para o sistema mecânico e hidráulico, baseou-se da teoria de Lyapunov. Simulações realizadas considerando trajetórias similares às do movimento de um navio são utilizadas. Para compensação do movimento são utilizados, também, sinais provenientes de uma IMU. Por meio de simulação, comprova-se que o sistema proposto é capaz de compensar adequadamente os movimentos da base estudados.
The Stewart platform mechanism is a parallel manipulator with six degrees of freedom, high load/weight ratio and high stifness. These properties give them a better accuracy when compared to serial manipulators. This work focuses on study of electrohydraucally Stewart Platform Manipulators (MPS) to enable compensation of vessels motions for load and personell transfer in sea. Aimed at developing an experimental prototype, a second MPS is placed underneath the rst MPS to simulate vessels motions and so both manipulators are considered dynamically decoupled. In this sense, the kinematics and dynamics of this manipulator are presented, as well as a mathematical model of the hydraulic actuator. Furthermore, special attention is given to the study of inertial measurement units (IMU) which is used as an instrument for measuring the motion to be compensated. Controller design for the compensation system is developed considering compute torque theory which consider the system separated in two: mechanical and hydraulic. The Lyapunov criteria is used to guarantee closed loop stability for each subsystem. Simulations are performed considering similar vessel motions. Signals provided from a comercial IMU are used for motion compensation. The control compensation performance is veri ed by means of computer simulations.

In this thesis different control methods are applied to the beam and ball system. Test setup for the previous thesis is handled, circuit assemblies and hardware redesigned. As the system is controlled by the control law partitioning method by a computer, discrete time system model is created. The controllability and the observability of the system are analyzed and a nonlinear controller by using control law partitioning in other words computed torque is designed. State feedback control algorithm previously designed is repeated. In case of calculating the non measurable state variables two different reduced order observers are designed for these two different controllers, one for control law partitioning controller and the other for state-feedback controller. Two controller methods designed for the thesis study are tested in the computer environment using modeling and simulation tools (Also a different controller by using sliding mode controller is designed and tested in the computer environment using simulation tools). A controller software program is written for the designed controller algorithms and this software is tested on the test setup. It is observed that the system is stable when we apply either of the control algorithms.

The main goal of this thesis is to simulate the response of a humanoid robot using a specified control algorithm which can achieve a sustainable biped locomotion with 4 basic locomotion phases. Basic parts for the body of the humanoid robot model are shaped according to the specified basic physical parameters and assumed kinematic model. The kinematic model, which does not change according to locomotion phases and consists of 27 segments including 14 virtual segments, provides a humanoid robot model with 26 degrees of freedom (DOF). Corresponding kinematic relations for the robot model are obtained by recursive formulations. Derivation of dynamic equations is carried out by the Newton-Euler formulation. A trajectory definition algorithm which defines positions, orientations, translational and angular velocities for the hip and its mass center, toe part of the foot and its toe point is created. A control strategy based on predictive optimum command acceleration calculations and computed torque control method is implemented. The simulation is executed in Simulink and the visualization of the simulation is established in a virtual environment by Virtual Reality Toolbox of MATLAB. The simulation results and the user defined reference input are displayed simultaneously in the virtual environment. In this study, a simulation environment for the biped locomotion of humanoid robots is created. By the help of this thesis, the user can test various control strategies by modifying the modular structure of the simulation and acquire necessary information for the preliminary design study of a humanoid robot construction.

This thesis presents scaling methods for sizing a prototype micro prismatic revolute (PR) manipulator actuated by permanent magnet (PM) direct current (d.c.) gearmotors. Dimensional analysis was the principle tool used in this investigation, and addressed the problems of scaling a trajectory planner, control law, and gearmotors that exhibit internal nonlinear friction. Similitude methods were used to develop a scaleable two degree-of-freedom trajectory planner from a third order polynomial. Scaling laws were developed from Buckingham's Pi theorem to facilitate the selection process of gearmotors. Nondimensional, nonlinear, differential equations were developed to describe viscous, Coulomb and static friction in comparative PM d.c. motors. From the insights gained through dimensional analysis, a scaleable controller based on the computed torque method was developed and implemented with a cubic trajectory planner. Model and prototype PR manipulator systems were simulated using a hybrid Matlab/Simulink simulation scheme. Experimental systems were constructed with dissimilar model and prototype motors. Control was provided by an AT class PC equipped with 12-bit A/D, D/A cards operating at a sample rate of 100 Hz. The control algorithm was written in Borland 3.1 C for DOS. Results from the experimental testing showed excellent agreement between the test and simulated data and verified the viability of the scaling laws. The techniques presented in this thesis are expected to be applicable to any application that involves scaling PM d.c. micro gearmotors that have significant internal friction terms. These simple, practical tools should be especially beneficial to designers of micro robotic systems.
Master of Science

L'approche classique pour le contrôle coopératif dans l’espace de travail d’un manipulateur bi-bras a été revisitée. En particulier, une nouvelle approche pour la formulation symétrique de la coordination bi-bras à l'aide du concept "virtual sticks" a été proposée à l'aide d'un torseur cinématique en utilisant des quaternions duaux. Le contrôle couplé dans l'espace de travail coopératif qui est proposé, i.e. le contrôle simultané, en position et en orientation, des points de consigne de l'espace de travail relatif et absolu a été comparé à un contrôleur proportionnel découplé traitant séparément les erreurs de position et d'orientation. Le contrôleur couplé a démontré un meilleur suivi de la pose et de l'orientation en termes de précision et de stabilité comparé au contrôleur découplé pour les tâches exigeant un fonctionnement plus rapide dans l'espace de travail relatif des manipulateurs bi-bras.L'approche de modélisation et de contrôle de l'espace de travail d’une tâche coopérative, en exploitant les torseurs cinématiques et des quaternions duaux, a été étendue à la modélisation de la coopération des doigts d'une main robotique anthropomorphique. De plus, le couplage des articulations des doigts sous-actionnés de la main robotique a été représenté à l’aide de la "jacobienne couplée" du doigt. La "jacobienne couplée" du doigt robotique a été utilisée pour le contrôle cinématique inverse, tout en lui permettant une intégration facile avec un bras robotique.L'idée d'un traitement couplé des variables en position et en orientation a été capitalisée en utilisant la conception d'une trajectoire de second ordre utilisant des quaternions duaux. Le contrôleur de trajectoire ainsi conçu est capable de suivre les points de consigne en pose en vitesse et en accélération, de l'effecteur en utilisant le modèle dynamique inverse du robot. Le contrôleur couplé en taux d’accélération résolue ("resolved rate acceleration") s'est avéré capable d'un contrôle de trajectoire plus précis, particulièrement en termes d'erreurs liées à l'orientation, que le contrôleur découplé classique qui traitait séparément les points de consigne en position et en orientation et ignorait l'effet de la rotation sur le mouvement de translation. De plus, cela a également permis de réduire les oscillations de la commande du couple des articulations lorsque le contrôleur a été implémenté pour le contrôle de l'un des bras du robot bi-bras Baxter.Enfin, un cadre complet pour la coordination des systèmes robotiques bi-bras a été proposé avec l'ajout d'un planificateur de tâches coopératives. La simplicité du torseur cinématique a également été exploitée pour la génération de trajectoires généralisées du second ordre pour des tâches nécessitant un mouvement simplifié, comme la translation, la rotation et la torsion autour d'un axe hélicoïdale arbitraire donné dans un repère connu. La méthode de génération de trajectoires a été étendue pour représenter les contraintes liées aux tâches impliquant un contact entre les objets en utilisant le concept de mécanisme virtuel
The classical approach for dual-arm cooperative task space control was revisited and the symmetric formulation of dual arm coordination using virtual sticks was implemented using screw-based kinematics with dual quaternion representation. The proposed coupled control of cooperative task space, i.e. simultaneous control of both position and orientation setpoints of relative and absolute task space was compared against the performance of a proportional decoupled controller treating position and orientation error separately. The coupled controller demonstrated better tracking of pose and orientation in terms of accuracy and stability compared to the decoupled controller for tasks requiring faster operation in the relative task space of dual-arm manipulators.The cooperative task space modelling and control approach using screw-based kinematics and dual quaternions were extended for the cooperation modelling of the fingers of an anthropomorphic robotic hand. Additionally, the coupling of joints in the underactuated fingers of the robotic hand was represented with a coupled finger Jacobian. The coupled Jacobian of the robotic finger was used for inverse kinematic control, while allowing easy integration with a robotic arm.The idea of coupled treatment of position and orientation variables was capitalized further with the design of a second-order trajectory tracker using dual quaternions. The trajectory controller hence designed was capable of tracking pose, velocity and acceleration setpoints for the end-effector using inverse dynamic model of the robot. The coupled resolved rate acceleration controller was found to be capable of tighter trajectory control, specially for error terms related to orientation, compared to the conventional decoupled controller that treated the position and orientation setpoints separately and ignored the inherent effect of rotation on translational motion. Additionally, it also led to lower oscillations in the joint torque command when implemented for the control of one of the arms of Baxter dual-arm robot.Finally, a complete framework for the coordination of bi-arm robotic systems was proposed with the addition of a cooperative task planner. The simplicity of screw theory was exploited additionally for parametrized generation of generalized second order trajectories for tasks requiring simplified motion, like translation, rotation and screw motion around an arbitrary 6D screw-axis given in a known reference frame. The trajectory generation method was extended to represent the constraints related to tasks involving contact between objects using the concept of virtual mechanism

Orientador: Rubens Maciel Filho
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química
Made available in DSpace on 2018-08-23T11:34:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Maia_JulioPereira_D.pdf: 8705466 bytes, checksum: e604d7a471ca19eb99492912d431174b (MD5) Previous issue date: 2013
Resumo: Esta tese apresenta um estudo de estratégias de esquemas de controle em unidades de destilação a vácuo de refinarias de petróleo, com o uso de dados e informações de uma refinaria brasileira, de modo a se desenvolver uma simulação representativa do processo, onde uma diferença global máxima de 5% entre os resultados de simulação e os dados de saída reais foi obtida. A simulação foi executada com alto nível de detalhamento, com cálculos de queda de pressão, dimensionamento de sistemas de bombeamento e uso de internos de coluna comerciais. Uma análise paramétrica foi executada para a verificação das variáveis mais influentes do processo. A simulação em estado estacionário resultante foi então convertida para o regime dinâmico, onde um esquema de controle equivalente ao esquema de controle da planta real foi implementado. Este esquema de controle foi submetido a um conjunto de perturbações usuais ao processo real, produzindo respostas dinâmicas do processo para cada perturbação aplicada. Pela análise das dinâmicas destas respostas e das respostas do sistema em malha aberta, um esquema de controle alternativo foi proposto e verificado da mesma maneira que o esquema de controle equivalente. Malhas de controle específicas para quantificar a qualidade dos produtos, tendo por base o índice ASTM D86 foram inseridas. A comparação entre os dois esquemas de controle por meio das respostas dinâmicas na qualidade dos produtos, considerando como parâmetro o ISE (Integral Squared Error) das malhas de cada esquema para comparação, apresentou uma redução média do erro em 70% na qualidade dos produtos principais
Abstract: A petroleum vacuum distillation unit study on control scheme strategies is developed in this work. Real plant data and information is gathered from a Brazilian Refinery to develop a representative simulation of the process, which had achieved a maximum 5% overall difference from the plant results. The simulation was set to be highly detailed, including pressure drop calculations, pumping system and the use of commercial column internals (packing and plates) in it. A parametric analysis was carried in order to verify the most influent variables in the process, with respect to temperature profiles, product flows and product qualities. The resultant steady state simulation was then converted into dynamic regime, when a control scheme equivalent to the real plant control scheme was implemented. This control scheme was then subjected to a set of common perturbations that occur in the real process, producing the dynamic response of the process to each perturbation applied. By analyzing the dynamics of these responses and the open loop responses, an alternative control scheme is proposed and verified in the same manner the later one was. A specific control loop was proposed to account a petroleum product quality index, such as ASTM D86 95% recovery. The comparison of the control schemes by means of the dynamic responses considering the correlated ISE (integral squared error) of each scheme has shown an average error reduction of 70% in the main products quality
Doutorado
Desenvolvimento de Processos Químicos
Doutor em Engenharia Química

La stimulation éléctrique fonctionnelle (SEF) peut améliorer de manière significative la mobilité des blessés médullaires ainsi que la stabilité et la prévention des effets secondaires. Dans le domaine de la SEF pour les membres inférieurs, le couple articulaire doit être fournie de façon appropriée pour effectuer le mouvement prévu afin de maintenir l'équilibre postural. Toutefois, les changements d'état du muscle telle que la fatigue musculaire est une cause majeure qui dégrade ses performances. En outre, la plupart des patients, dont la blessure médulaire est complète, n'ont pas le retour sensorielle qui permet de détecter la fatigue. De plus, et les capteurs de couples in-vivo ne sont pas disponibles à l'heure actuelle. Les systèmes conventionnels de commande SEF sont soit en boucle ouverte ou en boucle fermée mais cependant pas assez robustes aux changements d'état du muscle. L'objectif de cette thèse est le développement de la prédiction du couple articulaire et de la commande en boucle fermée afin d'améliorer les performances de la commande SEF en termes de précision, de robustesse et de sécurité pour les patients. Afin de prédire le couple articliare induit de la SEF, l'électromyographie (EMG) induit est utilisée pour corréler l'activité musculaire éléctrique et mécanique. Bien que la fatigue musculaire représente une variation dans le temps, une dépendance aux sujets et aux protocoles, la méthode proposée d'identification adaptative, basée sur le filtre de Kalman, est capable de prédire le couple articlaire variant dans le temps de manière systématique. La robustesse de la prédiction du couple articulaire a été evaluée lors d'une tâche de suivi de la fatigue en expérimentation chez des sujets blessés médullaires. Les résultats montrent une bonne performance de suivi des variations d'état des muscles en présence de fatigue et face à d'autres perturbations. Basée sur les performances de precision de la méthode prédictive proposée, une nouvelle stratégie de commande utilisant le retour EMG, "EMG-Feedback Predictive Control (EFPC)", est proposée afin de contrôler de manière adaptative les séquences de stimulation en compensant la variation dans le temps de l'état du muscle. De plus, cette stratégie de commande permet explicitement d'éviter d'appliquer une stimulation excessive aux patients, et de générer les séquences de stimulation appropriées pour obtenir la trajectoire désirée des couples articulaires.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
Nos últimos anos, várias áreas ligadas à robótica têm evoluído, estando cada vez mais presentes na vida do ser humano. Uma dessas áreas, onde se têm notado mais progressos, é a área da robótica assistiva. Muitas pessoas portadoras de deficiências motoras beneficiam deste tipo de tecnologias, cuja utilidade aumenta consideravelmente a sua qualidade de vida. Existe, por exemplo, um braço robótico relativamente novo no mercado denominado de JACO² desenhado especificamente para pessoas possuidoras de deficiência motora ao nível dos membros superiores. Apesar do robô poder ser prontamente utilizado pelo utilizador convencional para execução de tarefas mundanas com o joystick de oferta, por vezes é desejado realizar movimentos específicos com elevada precisão, sendo, no entanto, necessário um conhecimento mais alargado de como o robô funciona internamente, e de como é estruturado fisicamente. Normalmente, isto é alcançado com o design de técnicas de controlo complexas que têm em consideração esses critérios. Arquiteturas de controlo avançadas, como o controlo de binário computarizado permitem o seguimento de trajetórias desejadas com um elevado grau de exatidão, necessitando, ainda assim, da integração de modelos robóticos. O trabalho apresentado nesta tese envolve a definição dos "alicerces" necessários à aplicação dessas metodologias no braço robótico supracitado. Inicialmente é feita uma análise geral ao JACO² verificando-se as suas capacidades e limitações. Posteriormente, os modelos geométrico e cinemático são calculados, seguidos da derivação do modelo dinâmico. A computação deste último é realizada através da análise da energia interna do robô, isto é, com base no método de Euler-Lagrange, sendo os parâmetros dinâmicos obtidos a partir de uma abordagem baseada em elos aumentados. A fiabilidade dos modelos estimados é posta à prova com esquemas de controlo já bem conhecidos tanto ao nível do espaço tarefa como no espaço das juntas, sendo os resultados obtidos analisados. Os resultados para o modelo geométrico são suficientemente conclusivos para se afirmar que a estimação é bem definida, enquanto que a dedução do modelo dinâmico resultou, na sua generalidade, em resultados aceitáveis e promissores. Ainda assim, é necessário um estudo mais aprofundado deste último modelo, por forma a melhorar a sua fiabilidade e para que técnicas de controlo mais avançadas possam ser desenvolvidas para este robô no futuro. Por fim, este documento também propõe uma forma alternativa de controlar o JACO², substituindo o joystick disponível, por um rato 3D. Aliado ao facto de ser fisicamente bastante leve e de se apresentar como um sistema portátil, este controlo alternativo representa um dos primeiros passos para um possível desenvolvimento de uma aplicação tele-ecográfica no futuro.
In the last years, numerous robotic areas have evolved, being increasingly present in the life of the human. One of the areas whose progresses have been noticeable is the area of assistive robotics. Many people who suffer from mobility impairments or disabilities benefit from these technologies, having their quality of life greatly improved. To name an example, a relatively novel robotic arm is present in the market called the JACO² specifically designed for people with upper-body impairments. Although the robot can be promptly used by the general user to perform mundane tasks with the associated joystick, sometimes it is desirable to perform more specific high precision movements, although that requires a deeper insight into how the robot works internally and how it is physically structured. This is normally achieved with the design of complex control techniques that take into account those criteria. Advanced control architectures such as computed torque control allow the tracking of desired trajectories with a high degree of accuracy, albeit needing the integration of robotic models.The work presented on this thesis revolves around establishing the groundwork for the application of those methodologies in the aforementioned robotic arm. Initially, a complete overview of the JACO² is done in order to infer its capabilities and limitations. Afterwards, the geometric and kinematic models are addressed followed by the dynamic model derivation. The computation of this last model is obtained via the analysis of the internal energy of the robot, via the Euler-Lagrange method, while the dynamic parameter identification is based on an augmented link approach. The reliability of the estimated models is then evaluated with already well established control schemes in both task space and joint space, with their results being analyzed. The results for the geometric model are conclusive enough to affirm that its estimation is well defined, whereas the derivation of the dynamic model, in general, provided acceptable and promising results. However, it is necessary a further in-depth research in order to improve the dynamic model estimation, so that more advanced control techniques can be implemented on this robotic arm. Lastly, this document also puts forward an alternative way of controlling the JACO², using a 3D mouse as a substitute to the available joystick. Coupled with a lightweight composition and a very portable system, this represents an introductory step into a possible development of a tele-echographic application in the future.

碩士
國立交通大學
機械工程系所
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In this study the computed-torque control has been developed on 3RPS parallel machine tool, and compared the continuous trajectory tracking in different load with traditional position control. In order to improve the low precision of tracking in high feedrate and large curvature, the relationship of feedrate, curvature and contour error has been established with fuzzy logic control to replace the complicated and inaccurate mathematics model, and also combined with genetic algorithm to build up control parameters. The simulation and experimental results show that this new control strategy improves the performance of contouring. To measure the spatial position of the platform directly, a method is presented using ballbar. The different control methods developed in this paper can be compared by using ballbar, and test in the 3RPS parallel machine tool.

During fast point-to-point motion, the inherent joint flexibility could be detrimental in terms of residual vibration. Aiming to minimize the vibration, the command shaping method has been developed so as to remove critical energy from the input profile at resonant frequencies. Since this method requires information of a physical model in order to find the target frequencies, the quality of the shaped command profile relies on the accuracy of the model parameter estimation. Therefore, in this work, a system identification method using Instrumental Variables is applied from the literature. Compared with the classic Ordinary Least Square method, the IV approach has successfully improved the estimation of parameters, based on simulation results. The accuracy of parameter estimation influences the command profile, as does the feedback controller. In this work, starting from a mathematical derivation with a mismatch model due to a feedback controller called Computed Torque Control, insight for the closed-loop system is given with regard to the interaction between control gains and the actual resonant frequencies. It is found that the control gain is able to modify the actual resonant frequency curve, and push it into or out of the shaping bounds which are generated from the command shaping method. Further analysis based on the simulation results shows that the overlap area between the shaping bounds and the actual frequencies affects the level of residual vibration. In light of this fact, an optimal control gain exists and is found when the estimation error is in a certain range. At the end, recommendations for choosing the control gains are provided.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
O presente trabalho consiste em testar diferentes algoritmos de controlo no robô Kinova JACO² e proporcionar uma solução para o polimento automatizado. Atualmente, o processo de polimento a nível industrial apresenta limitações quer a nível de tempo assim como de produção, uma vez que ainda é realizado manualmente. Devido ao facto deste processo ser moroso e por vezes complexo requer muito tempo por parte do ser humano a desempenhar a mesma tarefa. Inicialmente são testados algoritmos de controlo simplificados por forma a testar e avaliar o desempenho do robô. Os algoritmos testados correspondem a arquiteturas de controlo avançadas, como o controlo de binário computorizado, quer no espaço das juntas quer no espaço de tarefa. Posteriormente é testado o controlador de impedância que permite relacionar uma determinada posição, velocidade e aceleração com a força necessária. Afim de validar os controladores anteriormente mencionados estes são testados em ambiente de simulação assim como em ambiente real. Por fim, o controlador de impedância é testado numa tarefa real de polimento. Verificou-se que o controlador de impedância pode ser usado para desempenhar tarefas de polimento. Contudo, o desempenho do robô necessita melhorias. Os problemas detectados no robô podem estar associados à fricção dos atuadores e a outros fatores externos, o que pode ser mitigado com um estudo minucioso dos vários parâmetros considerados no controlador e dos vários parâmetros internos associados ao manipulador robótico.
This work consists in testing different control algorithms in the Kinova JACO² robot and providing a solution for automated polishing processes. Nowadays, the polishing process at industrial level presents limitations both at the level of time and production capacity, since it is performed manually. Due to the fact that this process is time-consuming and sometimes complex it requires a lot of time on the part of the human being to perform the same task. Initially, several simplified control algorithms are tested so as to evaluate the robot performance. The tested algorithms correspond to advanced control architectures, such as computed torque controller in the joint space and in the task space. Then, the impedance controller is tested since it allows to regulate the relationship between the required force and position, velocity and acceleration of the robot manipulator. In order to validate the mentioned controllers they are tested in simulated environment as well as in real environment. Finally, the impedance controller is tested in a real surface polishing task. In conclusion, the impedance controller can be used to perform polishing tasks. However, the robot performance need improvements. The problems detected in the manipulator can be associated with the friction of the actuators and other external factors, which can be mitigated by an in-depth study of the several parameters considered in the controller and the various internal parameters associated with the manipulator arm.