Planejamento de trajetórias livres de colisão : um estudo considerando restrições cinemáticas e dinâmicas de um manipulador pneumático por meio de algoritmos metaheurísticos

Abstract

presente trabalho consolida um estudo para o planejamento de trajetória livre de colisão para um robô pneumático com 5 graus de liberdade aplicando três algoritmos metaheurísticos: algoritmos metaheurísticos por vagalumes, algoritmos metaheurísticos por enxames de partículas e algoritmos genéticos. No que se refere à aplicação de algoritmos metaheurísticos ao estudo de planejamento de trajetória de robôs manipuladores na presença de obstáculos, existem diferentes tipos de técnicas para evitar colisões que consideram os efeitos cinemáticos e dinâmicos na obtenção de trajetórias com o menor tempo, torque, etc. Neste estudo, são propostas contribuições à aplicação dessas técnicas especificamente a robôs manipuladores pneumáticos, sobretudo, no que diz respeito às características específicas dos servoposicionadores pneumáticos, como, por exemplo, a modelagem do atrito desses sistemas, o cálculo da massa equivalente, etc. A metodologia utilizada é definida em duas etapas. A primeira delas consiste na obtenção de pontos intermediários, adquiridos considerando a menor distância entre os mesmos e o ponto final, gerados considerando a presença de obstáculos (cilindros, cubos e esferas) Esses obstáculos são mapeados em regiões de colisão, que constituem restrições para o problema de otimização. A segunda etapa baseia-se no estudo do planejamento de trajetórias: aplicam-se b-splines de 5º e 7º grau na interpolação dos pontos intermediários, com vistas à obtenção de trajetórias que considerem, de um lado, a menor força dos atuadores associada à dinâmica do manipulador em estudo e, de outro, restrições cinemáticas e dinâmicas, determinadas por meio das características operacionais dos servoposicionadores pneumáticos. Os resultados mostram que a metodologia proposta é adequada para tarefas de manipulação de peças na presença de obstáculos, uma vez que os pontos intermediários situam-se fora da região de colisão nos três casos aqui apresentados. Além disso, quanto à segunda etapa, observou-se que as trajetórias de 5º e 7º grau apresentaram resultados similares, de maneira que os erros obtidos poderiam ser melhorados analisando aspectos associados ao controlador do robô em estudo.

The thesis presents a study for collision-free trajectory planning for a pneumatic robot with 5 degrees of freedom applying three metaheuristic algorithms: firefly metaheuristic algorithm, particle swarm optimization and genetic algorithms. As regards the application of metaheuristic algorithms to the study of the trajectory planning of manipulating robots in the presence of obstacles, there are different types of techniques to avoid collisions that consider the kinematic and dynamic effects, obtaining trajectories with the optimal time, torque, etc. In this study, contributions are made to the application of these techniques specifically to pneumatic manipulator robots, particularly with regard to the specific characteristics of pneumatic servo-actuators, such as friction modeling of these systems, calculation of equivalent mass, etc. The methodology used is defined in two steps. The first one consists of obtaining intermediate points, acquired considering the smallest distance between the intermediate points and the final point, generated considering the presence of obstacles (cylinders, cubes and spheres) These obstacles are mapped in collision regions, which are constraints to the optimization problem. The second step is based on the study of the trajectory planning: 5th and 7th degree b-splines are applied in the interpolation of the intermediate points, in order to obtain trajectories that consider the smallest actuator force associated to the dynamics of the manipulator and the kinematic and dynamic constraints, determined by the operational characteristics of pneumatic servo-positioners. The results show that the proposed methodology is suitable for tasks of manipulating parts in the presence of obstacles because the intermediate points are outside the collision region in the three cases presented here. In addition, it was observed that the trajectories of 5th and 7th degree presented similar results, so that the errors obtained could be improved by analyzing aspects associated to the controller of the robot.