Hamiltonovský popis robotů a jejich zařízení
Loading...
Date
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Současný vývoj technologií stále více vyžaduje specializované robotické systémy s otevřeným řízením, protože tradiční uzavřené řídicí platformy neposkytují dostatečnou flexibilitu. Příkladem takové technologie je 3D tisk budov z betonu, který se stává klíčovou oblastí s širokou škálou globálních aplikací. Tato disertační práce se zaměřuje na modelování a řízení robotických manipulátorů, zejména v kontextu experimentální robotiky. Zároveň představuje koncept otevřeného řídicího systému založeného na průmyslovém PLC určeného pro řízení unikátního tiskového robotu Printing Mantis. Navržený systém využívá automatické generování kódu v prostředí Matlab/Simulink, což ve spojení s průmyslovým řídicím systémem nabízí robustní a flexibilní řešení, které výrazně zkracuje čas potřebný pro programování a prototypování. Pro zajištění a zlepšení výkonu robotických manipulátorů je nezbytný rozsáhlý aplikovaný výzkum. Práce zavádí řízení založené na Hamiltonově formalismu, který využívá zobecněné hybnosti pro stavový popis a tento přístup aplikuje na modelování dynamiky a návrh řízení zkoumaných manipulátorů. Součástí práce je metodika pro implementaci Hamiltonovského řízení v systémech řízení pohybu, která zahrnuje všechny kroky od modelování přes parametrickou identifikaci až po samotnou implementaci. Tato metodika byla testována na třech reálných robotických manipulátorech, včetně tiskového robotu Printing Mantis. Práce rovněž přináší komplexní srovnání Hamiltonovského řízení s konvenčním Lagrangeovským řízením a dalšími běžně používanými metodami v podobě dopředného řízení a řízení se zpětnovazební linearizací na zmiňovaných manipulátorech. Diskutovány jsou různé aspekty experimentální robotiky, včetně vlivu vzorkování, spínací frekvence pulzně šířkové modulace frekvenčních měničů a převodových mechanismů. Výsledkem je řada významných poznatků podložených rozsáhlými experimentálními výsledky z oblasti identifikace a řízení reálných robotických manipulátorů. Kromě toho disertační práce představuje energetický model tiskového robotu Printing Mantis, který umožňuje predikci spotřeby energie během tiskového procesu, spolu s výsledky studie porovnávající energetickou náročnost robotů s různými kinematickými strukturami. Studie rovněž zahrnuje novou metodiku pro tvorbu redukovaných map účinnosti akčních členů robotických manipulátorů.
Current technological advancements increasingly demand specialized robotic systems with open control architectures, as traditional closed platforms lack flexibility. A prime example is 3D concrete printing for construction, emerging as a key area with wide-ranging global applications. This dissertation focuses on the modeling and control of robotic manipulators, particularly in experimental robotics, and introduces an open control system concept based on an industrial PLC for the unique Printing Mantis robot. The proposed system utilizes automatic code generation in Matlab/Simulink, which, when integrated with an industrial control system, offers a robust and flexible solution that significantly reduces programming and prototyping time. Extensive applied research is essential to ensure and enhance the performance of robotic manipulators. This work introduces a Hamiltonian control approach, leveraging generalized momenta for state-space representation, applied to the modeling and control of the studied manipulators. The methodology for implementing Hamiltonian control in motion systems is covered, from modeling and parametric identification to implementation, and was tested on three real manipulators, including the Printing Mantis. The dissertation also compares Hamiltonian control with conventional Lagrangian control and other methods like feedforward control and feedback linearization on these manipulators. Various aspects of experimental robotics, such as sampling rates, switching frequency of pulse-width modulation in frequency converters and transmission mechanisms, are discussed, providing significant insights supported by extensive experimental results. Additionally, the dissertation introduces an energy model for the Printing Mantis, enabling energy consumption prediction during printing and presents a study comparing the energy efficiency of robots with different kinematic structures. The study also offers a new methodology for developing reduced efficiency maps for the actuators of robotic manipulators.
Current technological advancements increasingly demand specialized robotic systems with open control architectures, as traditional closed platforms lack flexibility. A prime example is 3D concrete printing for construction, emerging as a key area with wide-ranging global applications. This dissertation focuses on the modeling and control of robotic manipulators, particularly in experimental robotics, and introduces an open control system concept based on an industrial PLC for the unique Printing Mantis robot. The proposed system utilizes automatic code generation in Matlab/Simulink, which, when integrated with an industrial control system, offers a robust and flexible solution that significantly reduces programming and prototyping time. Extensive applied research is essential to ensure and enhance the performance of robotic manipulators. This work introduces a Hamiltonian control approach, leveraging generalized momenta for state-space representation, applied to the modeling and control of the studied manipulators. The methodology for implementing Hamiltonian control in motion systems is covered, from modeling and parametric identification to implementation, and was tested on three real manipulators, including the Printing Mantis. The dissertation also compares Hamiltonian control with conventional Lagrangian control and other methods like feedforward control and feedback linearization on these manipulators. Various aspects of experimental robotics, such as sampling rates, switching frequency of pulse-width modulation in frequency converters and transmission mechanisms, are discussed, providing significant insights supported by extensive experimental results. Additionally, the dissertation introduces an energy model for the Printing Mantis, enabling energy consumption prediction during printing and presents a study comparing the energy efficiency of robots with different kinematic structures. The study also offers a new methodology for developing reduced efficiency maps for the actuators of robotic manipulators.
Description
Subject(s)
robotický manipulátor, řídicí systém, PLC, 3D tisk betonu, řízení založené na modelu, identifikace, dopředné řízení, tiskový robot, energetický model