Modelagem cinemática de sistemas robóticos cooperativos: proposta de um Jacobiano de Cooperação

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaFace às exigências de mercado, as empresas estão reconhecendo a necessidade de ganhar ou manter vantagem competitiva, e para isso fatores como cumprimento de datas de entrega, redução dos prazos de atendimento, aumento da flexibilidade devem ser priorizados, sem perda dos padrões de qualidade e custo. A utilização de sistemas compostos por múltiplos robôs trabalhando de forma cooperativa proporciona às empresas as vantagens supracitadas, entretanto a programação, a sincronização e o controle ganham em complexidade. Focalizando a programação de Sistemas Robóticos Cooperativos (SRC), existe o problema da determinação da localização, da velocidade e da aceleração das juntas de cada robô na base do tempo, de modo que venham a cumprir adequadamente as tarefas estabelecidas. Este problema é complexo pois existem relações de dependência entre os robôs além de aparecer o fenômeno da redundância cinemática, o que em termos gerais significa que o sistema como um todo tem inúmeras possibilidades de configurações capazes de executar as tarefas. Esta tese apresenta o conceito de Jacobiano de Cooperação (JC), para modelagem da cinemática diferencial de SRC, e propõe três metodologias de obtenção do JC: (1) utilizando o conceito de Jacobiano Relativo, que por sua vez, utiliza a convenção de Denavit-Hartenberg; (2) empregando a Teoria dos Helicoides; e (3) através do Método de Davies. O Jacobiano de Cooperação é uma transformação linear do espaço vetorial das velocidades das juntas dos robôs envolvidos no espaço vetorial das velocidades das tarefas a serem executadas. Isso permite que a resolução da cinemática diferencial inversa de cada manipulador seja feita de forma otimizada e simultânea, primando pela simplicidade no estabelecimento das relações de dependência entre os robôs envolvidos, em função das tarefas que cada robô deve executar sobre a peça em comum, fixada rigidamente por um ou mais robôs que a manipulam.The globalization has led many markets to becoming very competitive, and the manufactured products undergo intense competition, which may increase their vulnerability. The product's vulnerability begins to show when a competitor's similar product performs the same functions, and has a lower price. This situation gets worse if this product has a better quality, reliability, meets the need of the customer, and embeds innovations in each new launched version, and a shorter delivery time. The use of systems composed by multiple robots working in a cooperative way provides such advantages, however the programming, the synchronization and the control become more complex. In the Robotic Cooperative Systems (SRC), the determination of the location, of the speed and of the acceleration of each robot's joints is complex, because dependence relationships exist among the robots besides the phenomenon of the cinematic redundancy, which means in general terms appearing that the system as a whole has countless possibilities of configurations capable to execute the tasks. The objective of this thesis consists of presenting the Jacobian of Cooperation (JC), for modelling of the differential kinematics of SRC, and it proposes three methodologies of obtaining of JC: (1) using the concept of Relative Jacobian, that uses the Denavit and Hartenberg Convention; (2) using the Screw Theory; and (3) through the Davies Method, that associates the Graph Theory with virtual Assur chains. Jacobian of Cooperation is a linear transformation of the vector space of the speeds of the robots' joints involved in the vector space of the speeds of the tasks to be executed. That allows the resolution of each manipulator's inverse differential kinematics to be made in an optimized way and simultaneous, excelling for the simplicity in the establishment of the dependence relationships among the involved robots, in function of the tasks that each robot should execute on the workpiece, fastened by one or more robots