método de lagrange-euler

Dinámica de Manipuladores : Método de Lagrange - Euler

Ecuación de Lagrange

La ecuación de Lagrange está basada en la noción de coordenadas generalizadas, energía y fuerzas generalizadas. Las coorde-nadas generalizadas son el marco en el cual se registra el movimiento, mientras que las fuerzas generalizadas son aquellas fuerzasresiduales en el sistema una vez que se han removido aquellas debidas directamente al movimiento y a la gravedad, casi siempresuelen ser las reacciones en los apoyos y la fricción.

Para un brazo robótico de n ejes, un apropiado conjunto de coordenadas generalizadas (las cuales no necesariamente tienen queser de dimensión 3 ni mucho menos cartesianas) es el vector de n articulaciones variables Q. Se define al lagrangiano de lafunción como la diferencia entre la energía cinética y potencial.

LIQ, Q° M = TIQ, Q

° M -U HQL

TØEnergía cinética UØEnergía potencialQØEspacio articularQ°ØVector de velocidades articulares

Las ecuaciones generales de movimiento de un brazo robótico pueden ser formuladas en términos de la función lagrangiana.

„

„t∑

∑q°i

LIQ, Q° M - ∑

∑qiLIQ, Q

° M = Fi 1§i§n

Fi es la fuerza (o par) generalizada en la iésima articulación.

Energía cinética y potencial

0Vk ØVelocidad del centro de masa del eslabón k respecto a 80<0wk ØVelocidad angular del centro de masa del eslabón k respecto a 80<0Pcgk ØVector de posición del centro de masa del eslabón k respecto a 80<

La energía cinética total del brazo es la suma de las energías cinéticas de sus eslabones.

TIQ, Q° M =‚

k=1

n 0VkT mk

0Vk + 0wkT 0Ik

0wk

2

mk Ø Masa del iésimo eslabón0Ik Ø Tensor de inercia del eslabón k sobre su centro de masa respecto a 80<0Ik = 0Rk

kIkkR0

kIk ØMomento de inercia del eslabón k respecto a su centro de masa

2 TextoLagrangeEuler.nb

† Jacobiano del eslabón

Para desarrollar una formulación explícita de la energía cinética total del brazo, se deben desarrollar expresiones para 0Vk y 0wk

en términos de las variables articulares Q y Q†. Mucho de este trabajo afortunadamente ya está hecho. Para ello, recuérdese que

la matriz jacobiana del manipulador J(Q) relaciona desplazamientos infinitesimales de las variables articulares con desplazamien-tos infinitesimales del espacio operacional (velocidad lineal y angular) del extremo del brazo. Es decir, se puede particionar esarelación de la siguiente forma:

V

f° = J HQLQ°

La matriz jacobiana mapea la velocidad articular instantánea del extremo del brazo en una velocidad lineal y angular. De formaanáloga, se puede proceder para que cada eslabón tenga su propia matriz jacobiana JkHQL, si se acomoda el centro de masa deleslabón k como si fuese la punta de la herramienta.

0Vk0wk

= Jk HQLQ° 1§k§n

Así pues se puede hallar la matriz Jk de 6än de la siguiente manera:

JkHQL =∑

∑q1@0PcgkE . . . ∑

∑q j@0PcgkE 0

x1 z`0 . . . xk z` j-1 0=

0Ak HQL0Bk HQL

0Ak HQL = J ∑

∑q1@0PcgkE . . . ∑

∑q j@0PcgkE 0 N

0Bk HQL = H x1 z`0 . . . xk z`k-1 0 L

A continuación se desglosa qué es cada elemento.

0Pcgk ØVector de posición del centro de masa del eslabón k respecto a 80<. Recordemos que suele conocerse más bien el vectorde ubicación del centro de masa del eslabón k respecto al sistema {k} kPcgk. Para determinar 0Pcgk:

0Pcgk =H 0TkkPcgk

*

TextoLagrangeEuler.nb 3

kPcgk* Ø Vector de posición del centro de masa del eslabón k respecto a {k} en coordenadas homogéneas.

0Tk Ø Transformada homogénea que relaciona a {k} con {0}.

H Ø Matriz de conversión de coordenadas homogéneas a cartesianas.

H =

1 0 0 00 1 0 00 0 1 0

∑

∑qkj@0PcgkE Ø Es la derivada parcial respecto a la jotaésima variable de 0Pcgk. Observe que si k<j§n dicha derivada vale cero, lo

cual tiene que ver con el hecho de que la posición del centro de masa del eslabón k no depende de los cuerpos más distales adicho eslabón.

xk Ø Es un parámetro de validación dependiendo del tipo de articulación. Vale 1 para articulaciones rotacionales y 0 paraarticulaciones prismáticas.

z` j-1 Ø Es el vector unitario H0, 0, 1LT , siempre y cuando no se trate de la columna k<j§n, pues en caso contrario dicho vector

valdrá H0, 0, 0LT .

Observe que de preferencia, el jacobiano del eslabón k se particiona en dos.

0Ak HQL = J ∑

∑q1@0PcgkE . . . ∑

∑q j@0PcgkE 0 N

0Bk HQL = H x1 z`0 . . . xk z`k-1 0 L

La primera matriz, 0Ak , de 3än está relacionado con la velocidad lineal del cuerpo k, mientras 0Bk que también es de 3än estárelacionado con la velocidad angular de dicho eslabón.

† Tensor de inercia del manipulador

Ahora puede determinarse una expresión para la energía cinética total del brazo en términos de Q y Q°.

0Vk IQ, Q° M = 0Ak HQLQ° 1§k§n


0wk IQ, Q° M = 0Bk HQLQ° 1§k§n

Si se sustituyen estas expresiones en la energía cinética total, se obtiene lo siguiente.

TIQ, Q° M = 1

2Q° T

Sk=1

n9Ak

T mk Ak + BkT 0Ik

0Bk=Q° T

Con esto es posible definir una expresión para la energía cinética total del brazo simplificada mediante lo expresado en lasumatoria anterior.

DHQL U Sk=1

n9Ak

T mk Ak + BkT 0Ik

0Bk AkT mk Ak + Bk

T 0Ik0Bk=

D(Q) recibe el nombre de Tensor de Inercia del Manipulador. Como los n momentos de inercia de cada eslabón individual, estetensor es simétrico y positivo definido (D(Q)¥0). Con este elemento, se puede compactar la energía cinética total del brazo.

TIQ, Q° M = 1

2Q° T

DHQLQ° T

† Gravedad

Para completar la formulación de la función lagrangiana, queda examinar la energía potencia total del brazo U HQL. La energíapotencial almacenada en el kaésimo eslabón es la cantidad de trabajo requerido para desplazar el centro de masa del eslabón kdesde un plano de referencia horizontal bajo la presencia de la gravedad. Sea g œ 3 la aceleración gravitatoria respecto al marcoinercial. Entonces el trabajo requerido para desplazar el centro de masa del eslabón k a la posición 0Pcgk HQL es-mk gT 0Pcgk HQL . La energía potencial total para todo el brazo es:

U HQL = - Sk=1

n9mk gT 0Pcgk HQL=

Nuevamente se pueden definir algunos términos para compactar la expresión anterior.

cHQL U Sk=1

n9mk

0Pcgk HQL=

U HQL = -gT cHQL

Note que U(Q) es máximo cuando todos los eslabones del brazo están directamente opuestos a g, mínimo cuando están alineadosa g y valen cero cuando son ortogonales a g. Una constante debería ser agregada para la expresión U(Q) para hacer la mínimaenergía potencial cero. Sin embargo, no es esto necesario, porque se verá que sólo la derivada de U(Q) es importante.

Ahora puede expresarse el lagrangiano del manipulador en términos de la energía cinética y potencia como se acaban de deducir.

LIQ, Q° M = 1

2Q° T

DHQLQ° T + gT cHQL

Resta sacar las derivadas de L con respecto a Q, Q° y t para formular las ecuaciones dinámicas del brazo. Antes de hacerlo se

desarrollará una formulación más detallada del término del lado derecho de la ecuación de Lagrange.


Fuerza generalizada

Las fuerzas generalizadas son las fuerzas residuales actuantes sobre el brazo una vez que han sido removidas las fuerzas asoci-adas con la energía cinética (fuerzas inerciales) y con la energía potencial. Las fuerzas generalizadas pueden ser definidas alexaminar el trabajo producido por un desplazamiento virtual de las articulaciones, es decir, por un desplazamiento instantáneoinifinitesimal dQ. Un desplazamiento virtual debe satisfacer las restricciones geométricas impuestas por los eslabones del brazo,pero no tiene que satisfacer las restricciones temporales, porque se asume que ocurren sin dependencia del tiempo. El trabajoproducido por un desplazamiento virtual, llamado trabajo virtual, es denotado como dW. La fuerza que relaciona un desplaza-miento virtual con el trabajo virtual que produce es la fuerza generalizada. De esta forma la fuerza generalizada F, es un vectorde nä1 definido implícitamente por la siguiente ecuación:

dW = FT dQ

Note que, dependiendo del tipo de articulación, los componentes del vector de fuerza generalizada pueden ser o las fuerzas (paraarticulaciones prismáticas) o los torques (para articulaciones rotacionales). Hay dos contribuciones para las fuerzas general-izadas.

† Trabajo en los actuadores

Cada articulación es manejada o encendida por un actuador tal como un motor eléctrico o un cilindro neumático. Sea t œ n elvector torque articular generado por n actuadores. Por conveniencia, t es referido como "torque", sin embargo se entiende que tk

representa un torque si la articulación k es articular o representa una fuerzas si la articulación k es prismática. Note que tk denotael torque o la fuerza real entregada a la articulación k. Por lo tanto, los efectos de las dinámicas del actuador, engranes, y lastransmisiones mecánicas están implícitos en t. El trabajo virtual producido por el torque del actuador es:

dW1 = tT dQ

De esta forma la fuerza generalizada es simplemente el torque en este caso. Sin embargo, hay una segunda fuente de la fuerzageneralizada.


† Fricción

Debido a que la fricción tiene una naturaleza compleja, puede tener un efecto significativo sobre la dinámica del brazo. Lasiguiente expresión ha sido propuesta a partir de diferentes experimentos.

bkHq° L = bk

V q°k + sgnHq° kLBbk

d + Ibks - bk

dM ‰- q°k

e F 1§k§n

sgn Ø Función signo, donde vale 1 si q°k>0, 0 si q

°k=0 y -1 si q

°k<0.

bkV Ø Coeficiente de fricción viscosa

bkd Ø Coeficiente de fricción dinámica

bks Ø Coeficiente de fricción estática

e Ø Parámetro de reducción

Observe que si la velocidad de la articulación k se aproxima a cero, la fuerza de fricción es prácticamente ≤bks . En consecuencia

bks puede ser interpretado como el torque o fuerza requerido para vencer la fricción cuando el movimiento de la articulación k se

inicia. Es claro que la fricción viscosa es una función lineal de q°k mientras que la fricción estática y dinámica son funciones no

lineales discontínuas. El modelo de fuerzas de fricción que actúan sobre la kaésima articulación es resumido en la gráficasiguiente.

(Pegar figura)

Para un brazo robótico bien diseñado, particularmente un brazo directamente manejado, los coeficientes de fricción seránpequeños. La ecuación presentada es tan sólo un modelo rudo de las fuerzas friccionales. Una representación más comprehen-siva debería emplear términos de la forma b

° Iq, q° M, los cuales dependen tanto de la posición articular como de la velocidad. Estosería necesario si los ejes sobre los cuales rotan o se transladaran los eslabones no fueran perfectamente circulares y uniformes.El trabajo virtual producido por el robot debido a las fuerzas friccionales que se oponen al movimiento es:


dW2 = -bHq° LT dq

Las dos contribuciones a las fuerzas generalizadas pueden ahora ser combinadas. El trabajo virtual total producido por losactuadores y la fricción es:

dW = dW1 + dW2 = At - bHq° LETdq

De aquí se desprende que la expresión para la fuerza generalizada aplicada al brazo robótico es:

F = t - bHq° L

El término de fricción tiene un signo negativo porque las fuerzas friccionantes se oponen al movimiento generado por losactuadores. También es posible agregar un tercer término al vector de fuerzas generalizadas: áquel inducido por una fuerza o paren el extremo del brazo. Sin embargo, para mantener el modelo lo más simple posible, se asumirá que el brazo se mueve libre-mente y que su espacio de trabajo y que cualquier carga que se carga está implícitamente incluida en la descripción física delúltimo eslabón. Bajo estas condiciones, dicho par o fuerza valdrá cero.

Modelo dinámico de Lagrange - Euler

Expandiendo las expresiones de energía cinética y potencial en forma tensorial se tiene

T =1

2‚k=1

n

‚j=1

n

Dkj q°k q°j

U = -‚k=1

3

‚j=1

n

gk mj c jk

Dkj Ø Elemento del renglón k y columna j del tensor de inercia Dcjk Ø Elemento k del vector c j

En esta oportunidad no se desarrollará la deducción de lasderivadas del lagrangiano. Esto puede consultarse en el libro de Schilling

" Fundamentals for Robotics ". Desarrollando las derivadas del lagrangiano, se tiene lo siguiente


∑L

∑q°i

=‚j=1

n

Dij q°j

„

„ t

∑L

∑q°i

=‚j=1

n

Dij q–

j +‚k=1

n

‚j=1

n ∑Dij

∑qkq°k q°j

∑L

∑qi=

1

2‚k=1

n

‚j=1

n ∑Dkj

∑qkq°k q°j +‚

k=1

3

‚j=1

n

gk mj Ajki

Ajki Ø Es el elemento renglón k columna i de la partición A del jacobiano del eslabón j

Para simplificar los términos, se introducen los siguientes elementos.

Cikj =∑Dij

∑qk-

1

2

∑Dkj

∑qii § j, i, k § n

Ci Ø Matriz de acoplamiento de velocidades de la articulación i.

hi = -‚k=1

3

‚j=1

n

gk mj Ajki 1 § i § n

hi ØVector de carga gravitatoria

Con estas expresiones y tomando en cuenta la fricción, se obtiene la siguiente expresión para el par ê fuerza de la articulación i

ti =‚j=1

n

Dij q–

j +‚k=1

n

‚j=1

n

Cikj q°k q°j + hi + bi

El primer término del lado derecho son las fuerzas o torques inerciales,el segundo se debe a los efectos de fuerzas de Coriolis y fuerzas centrífugas,y los dos últimos ya fueron revisados.

Algoritmo de Lagrange - Euler


1. Aplicar el algoritmo de DH para asignar coordenadas a las articulaciones.

2. Haga 0T0 = I; i = 1; D = 0.

3. Encuentre iPcgi*.

4. Halle iIcgi.

5. Calcule:

z`i-1 = 0Ri-1

001

0Ti-1 = 0T11T2 ... i-1Ti

0Pcgi = H 0TiiPcgi

*

iIcgi =0Ri

iIcgiiR0

6. Calcule Ji

7. Particione Ji y encuentre:

D = D + AiT mk Ai + Bi

T 0Ii0Bi

8. Haga i = i + 1. Si i§n, vaya al paso 3, sino, haga i=1 y continúe.

9. Calcule Ci, hi y bi.

10. Formule la ecuación para el par/fuerza de la articulación i según:

ti =⁄j=1n Dij q

–j +⁄k=1

n ⁄j=1n Cikj q

°k q°j + hi + bi

11. Haga i = i + 1. Si i§n, vaya al paso 9, en caso contrario deténgase.


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