Controle de movimento:Onde a matemática e a física evitam colisões

Incorporando engenharia elétrica e mecânica, design de software e hardware e com base em percepções colhidas em campos tão diversos como biologia, ética e psicologia, a robótica é um domínio verdadeiramente multidisciplinar.

Matemática e física são centrais e estão interligadas, é claro. E ambos são usados ​​para produzir automação que não causa colisões.

Nesta postagem, daremos uma olhada de alto nível nos conceitos básicos de controle de movimento, cinemática e cinética. Ao longo, vamos compartilhar links para recursos úteis para aprender mais sobre o controle de movimento e conceitos relacionados, dos Arquivos A3 e além.

O que é controle de movimento?

Como o próprio nome indica, ‘controle de movimento’ se refere ao subcampo da automação que se preocupa em alcançar o movimento controlado de todas as partes individuais de um sistema automatizado. Controlar o movimento de motores internos, pontas de garras, pórticos e todos os outros componentes da automação complexa de hoje requer uma compreensão dos principais conceitos da física, como força, movimento e torque, e a capacidade de aplicar algoritmos de controle complexos ao hardware do mundo real.

Implantado com sucesso, o controle de movimento garante que cada parte do sistema esteja onde deveria a qualquer momento, o que garante confiabilidade e repetibilidade geral.

'Controle de movimento' às vezes é usado no sentido estrito de controlar o movimento dos motores sozinho, mas em seu sentido mais amplo, o termo abrange todas as partes de um sistema automatizado, como pinças e pórticos. Nesse sentido mais amplo, o controle de movimento incorpora planejamento de caminho, cinética e cinemática.

Um sistema de controle de movimento típico consiste em três componentes:um controlador de movimento, um amplificador e um ou mais motores.

Os controladores de movimento são os cérebros da operação, responsáveis ​​por garantir que o motor funcione de acordo com os requisitos do usuário final, incluindo a trajetória do motor. Os controladores de movimento diminuíram de tamanho - e se tornaram mais inteligentes - nos últimos anos, permitindo aos fabricantes incorporar inteligência de controle de movimento em seus projetos de maneiras inovadoras e cada vez mais úteis.

A série de e-Learning da Yaskawa America no YouTube inclui esta visão geral útil dos fundamentos do controle de movimento:

https://www.youtube.com/watch?v=-ZWUSbMKAfg

Cinemática

Na física, cinemática é um subcampo que descreve o movimento de pontos, corpos e sistemas de corpos em relação uns aos outros por meio da geometria.

Na robótica, cinemática se refere à geometria do movimento de um robô e incorpora equações cinemáticas que permitem que a posição de diferentes pontos dentro de um sistema de automação seja calculada. Crucialmente, a cinemática não leva em consideração as forças que causam o movimento, apenas considera se o movimento é possível.

A cinemática direta envolve o cálculo da posição de um atuador a partir dos valores especificados para os parâmetros da junta. A cinemática inversa calcula os ângulos de junta associados com base na localização do efetor final.

A série de vídeos ‘Introdução à Robótica’ da Universidade de Stanford inclui esta aula útil sobre conceitos cinemáticos:

https://www.youtube.com/watch?v=QKyDrUonp98

Cinética

Em física, cinética se refere ao estudo das forças que agem sobre corpos ou partículas que são responsáveis ​​por causar seu movimento. Na robótica, isso envolve o cálculo e a avaliação dos torques e forças, incluindo a corrente elétrica, presentes no sistema. As equações de Newton-Euler e Lagrange são usadas aqui para fornecer um modelo dinâmico de um sistema de automação ou para determinar as forças e momentos que atuam nos elos rígidos de um manipulador robótico.

Leituras adicionais dos Arquivos A3:

O que é controle de movimento?

Trazendo funcionalidade de circuito fechado para motores de passo

E além:

O Center for Robotics and Biosystems da Northwestern University nos EUA produziu uma série de vídeos como um suplemento para "Modern Robotics:Mechanics, Planning, and Control" (Lynch e Park, Cambridge University Press, 2017), todos disponíveis no YouTube, incluindo:

https://www.youtube.com/watch?v=QFCbTVJqm8I

Guia do professor Michael Milford da Universidade de Queensland para cinemática direta e inversa:

https://www.youtube.com/watch?v=VjsuBT4Npvk

Cinemática e cinética de robôs - Uma breve pesquisa, ScienceDirect