Modelagem e desenvolvimento de um robô equilibrista (ballbot) com aplicação de...

Este projeto tem como objetivo resumir e assimilar o conteúdo visto dentro do curso de Engenharia Mecatrônica relacionado à área de modelagem e controle de sistemas dinâmicos com o projeto e desenvolvimento de um protótipo de baixo custo de um robô do tipo ballbot, um dispositivo que se equilibra em cima de uma bola, formando um pêndulo invertido de duas dimensões. Sendo assim, visa-se a elaboração de um modelo matemático que represente a dinâmica do sistema e um controle do tipo PID tornando o sistema estável. Um modelo 3D em CAD é desenvolvido de forma a possibilitar a extração dos parâmetros físicos do robô, como a massa e o momento de inércia do sistema, e utilizado posteriormente para a criação das peças a partir da técnica de impressão 3D. Dessa maneira, foi projetado e construído um protótipo de modo a representar o sistema elaborado em CAD, funcionando de forma semelhante às equações encontradas do sistema dinâmico. Correções entre os modelos matemático e físico foram feitas de forma a melhor representar a realidade. Testes experimentais foram executados com o dispositivo, utilizando os ganhos de controle obtidos pelas simulações computacionais realizadas, e uma comparação é feita com os ganhos obtidos experimentalmente. Percebe-se que o protótipo construído se comporta de maneira agressiva utilizando-se os ganhos obtidos pela simulação. Ao realizar uma calibração dos ganhos de forma experimental, nota-se que o ganho derivativo amplifica os ruídos que não foram modelados anteriormente, e ao o diminuir, o robô passa a se comportar de maneira mais estável. Conclui-se que, embora o ganho derivativo deva ser atenuado, o controlador PID encontrado através dos cálculos funcionam no protótipo real, e portanto os modelos adotados estão corretos. Verifica-se que algumas melhoras podem ser feitas em trabalhos futuros, de forma a melhorar a performance do projeto, dentre essas melhorias: utilização de rolamentos nos rolos das rodas omnidirecionais, diminuindo folgas na movimentação das rodas; adoção de motores que iniciem seu funcionamento com pequenas tensões de entrada, de modo a diminuir a zona morta de funcionamento; aplicação de odômetros nos motores, possibilitando um controle de posição do robô.

Título em Inglês

Modeling and development of a ball balancing robot (ballbot) with the application of a PID control

Palavras-chave em Inglês

PID control
Inverted pendulum
Robotics
3D Printing

Resumo em Inglês

This project aims to summarize and assimilate the content seen in the course of Mechatronics Engineering related to the area of modeling and control of dynamic systems with the design and development of a low cost prototype of a Ballbot, a device that balances on top of a ball, creating a two-dimensional inverted pendulum. Thus, it is aimed the elaboration of a mathematical model that represents the dynamics of the system and a PID control in order to make the system stable. A 3D CAD model is developed in order to allow the extraction of the physical parameters of the robot, such as the mass and the moment of inertia of the system, and later used to create the parts using the 3D printing technique. As a result, a prototype was designed and constructed to represent the model elaborated in CAD, functioning in a similar way to the model of the calculated dynamic system. Corrections between the mathematical model and the physical model were made in order to better represent the reality. Tests were performed with the device, using the control gains obtained by the computational simulations of the model created, and a comparison is made with the gains obtained experimentally. It can be noticed that the built prototype behaves aggressively using the gains obtained by the simulation. When performing a calibration of the gains experimentally, it is noticed that the derivative gain amplifies the noises that were not modeled previously, and when diminishing it, the robot start is to be behave more stable. It is concluded that, although the derivative gain should be attenuated, the PID controller found through the calculations works well in the real prototype, and therefore, the adopted models are correct. It can be seen that some improvements can be made in future work, in order to improve the performance of the project, among these improvements: use of bearings in the rollers of the omni-directional wheels, reducing the backlash in the movement of the wheels; adoption of motors that start their operation with small input voltages, in order to reduce the dead zone of operation; application of encoders in the motors, allowing a position control of the robot.

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Data de Publicação

2017-02-06

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