Actas de las XXXV Jornadas de Automática, 3-5 de septiembre de 2014, ValenciaISBN-13: 978-84-697-0589-6 © 2014 Comité Español de Automática de la IFAC (CEA-IFAC)

APLICACIONES EN MATLAB Y SIMULINK PARA ELMODELADO Y CONTROL DEL MOVIMIENTO DE UNA

ESTACION ABB IRB-120

Miguel Mato, Alberto HerrerosITAP (Universidad de Valladolid), {ma mato@hotmail.com, albher@eii.uva.es}

Juan Carlos Fraile, Jose Luis Gonzalez, Enrique Baeyens, Javier Perez Turiel, Fernando GayuboITAP (Univ. Valladolid)-CARTIF (Parque Boecillo), {jcfraile,jossan,enrbae,turiel,fergay@eii.uva.es}

Resumen

La programacion de robots hace uso de herra-mientas de simulacion que reproducen fielmentela dinamica del robot y permiten disenar los pro-gramas de forma sencilla y eliminar errores an-tes de proceder a su verificacion sobre el robot.En el mundo academico MATLAB es un entornode calculo y visualizacion cada vez mas extendido,por lo que es muy interesante poder disponer deuna herramienta desarrollada sobre MATLAB quepermita programar y controlar un robot. En esteartıculo se presenta un conjunto de aplicaciones,desarrolladas con fines didacticos sobre MATLABy SIMULINK, que permiten visualizar un robotABB IRB-120 en tres dimensiones y poder disenary controlar su trayectoria. Los movimientos delrobot se controlan directamente por medio de co-municaciones OPC entre el servidor de ABB y elcliente de MATLAB. La herramienta dispone deun entorno grafico que facilita su utilizacion.

Palabras clave: Robotica, Docencia, Simulacion

1. INTRODUCCION

Las asignaturas relacionadas con robotica tienendos objetivos que no siempre son faciles de com-binar. Por un lado, se pretende proporcionar alalumno las bases teoricas de la robotica, entreellas se explica los sistemas de coordenadas, lastrayectorias, la cinematica y dinamica del robot yel control del mismo, [6, 17, 19, 18]. Por otro la-do, se desea que el alumno aprenda a programarun robot real, con sus lenguajes particulares, porejemplo RAPID para robot ABB, [5, 4].

Una solucion intermedia para combinar ambos ob-jetivos es el uso de las aplicaciones de MATLABy SIMULINK para robotica, donde de una formapractica se puede aplicar y visualizar la teorıa enrobots simulados o reales. La aplicacion “RoboticToolbox” desarrolla algoritmos teoricos para mo-delado de robots, estudio de cinematica, dinami-ca y trayectorias sobre un robot generico [7, 8].

La aplicacion “ARTE” (“A Robotic Toolbox forEducation”) [10] anade a la anterior aplicacionel modelo en tres dimensiones (3D) de un grannumero de robot industriales, con funciones paraobtener sus cinematicas inversas, de forma que losconceptos teoricos pueden ser aplicados a robotsindustriales.

El Instituto de las Tecnologıas Avanzadas de laProduccion (ITAP) dispone desde el ano pasadode un robot ABB IRB-120 [2], el menor de su serie,para uso puramente educacional. El objetivo es en-senar al alumno la teorıa de robotica y la progra-macion del robot en RAPID. Para integrar ambosobjetivos, se ha desarrollado una serie de aplica-ciones, basadas en las aplicaciones de MATLABantes citadas [10, 8]. Las aplicaciones realizadasconseguiran que el alumno pueda comprender lateorıa con la herramienta de trabajo que luego vaa emplear. Se han realizado pantallas para la vi-sualizacion del robot en 3D, una aplicacion graficabasada en GUIDE de MATLAB [13], y simula-ciones del robot en 3D basadas en SimMechanic[14, 15, 16].

Un objetivo didactico de gran interes es el controldel movimiento del robot desde las aplicacionesdesarrolladas en Matlab. Para ello, se ha estudia-do distintas formas de comunicacion entre el PCcon las aplicaciones de Matlab y el robot ABB.La aplicacion empleada esta basada en el servi-dor OPC que dispone ABB [1] y el OPC clientede Matlab [12]. Dicha aplicacion permite, para unperiodo de muestreo dado, mostrar y modificar lasvariables de salida y permanentes del robot desdeuna aplicacion OPC cliente.

Se consideran seis variables de salida en la esta-cion robotizada, una para cada eje del robot. Estasvariables seran leıdas por el OPC servidor y mo-dificadas desde Matlab por una aplicacion OPCcliente. En la funcion de visualizacion en 3D delrobot se ha anadido la opcion de modificar de for-ma simultanea el valor de estas variables para de-finir la posicion de los ejes. El procedimiento queel robot ejecuta en su propio lenguaje RAPID leede forma ininterrumpida las seis variables de losejes, y se mueve a la posicion correspondiente. Deesta forma se consigue que la trayectoria del ro-

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bot sea controlada por la aplicacion de MATLAB,y que robot y su modelo en 3D sigan la mismatrayectoria de forma simultanea.

El alumno podra aplicar esta herramienta tanto enla estacion virtual representada con RobotStudio[4] como en la real, ya que el servidor OPC esvalido para ambas estaciones. El alumno puedeanalizar y validar su programa de control en laestacion virtual, y cuando este convencido de sufuncionamiento ejecutarla y verificarla en el robotreal. En cualquier caso, la aplicacion es valida parapoder ser aplicada con el robot en modo manualen condiciones de maxima seguridad, ya que si sesuelta la tecla de hombre muerto, el robot se paraautomaticamente. Las pequenas dimensiones delrobot IRB-120 permiten este tipo de manipulacionsin peligro para el alumno. Este fue el principalargumento para adquirir el citado robot.

El resto del artıculo tiene la siguiente estructu-ra, en la seccion 2 se analiza las aplicaciones enMatlab y SIMULINK relacionadas con robotica.En la seccion 3, se analiza las posibles comunica-ciones entre un robot ABB y un PC. En la sec-cion 4, se detallan las aplicaciones realizadas enMATLAB y SIMULINK, y en la seccion 5 se ci-tan las conclusiones del artıculo.

2. SISTEMAS ROBOTIZADOSEN MATLAB Y SIMULINK

MATLAB y SIMULINK son dos entornos decalculo numerico y visualizacion de datos de lacompanıa Matworks ([11], [14]), con grandes posi-bilidades para el diseno de sistemas dinamicos y susimulacion. Dentro de las aplicaciones comercialesde ambos entornos no existe uno especıfico para eldiseno y simulacion de sistemas robotizados, pe-ro diversos autores han desarrollado aplicacionesde software libre usando MATLAB y SIMULINKpara sistemas robotizados.

La aplicacion de robotica mas conocida paraMATLAB y SIMULINK es “Robotic Toolbox”realizada por Peter Corke [8] y que desarrolla loscontenidos del libro del propio autor [7]. Dichaaplicacion dispone de software para robotica fijay movil. En la parte de robotica fija propone algo-ritmos para modelar un robot usando el metodode Denavit-Hartenberg, con los que se puede obte-ner la cinematica directa del robot. La aplicacionpropone un metodo general de cinematica inversapara un robot con muneca esferica, que puede seraplicada a robots PUMA. Los modelos graficos delos robots son muy simples, pero genericos, ya quese representan unicamente los ejes y las unionesentre ellos. En la ultima version se ha desarrolladoun modelo 3D para el robot PUMA. La dinamica

de los robot se representa mediante bloques con-vencionales de SIMULINK.

La mayorıa de los fabricantes de robot industria-les han desarrollado modelos graficos en 3D uti-lizando programas de diseno asistido por ordena-dor (CAD), y estos modelos en muchos casos sonlibres y se pueden obtener de internet. Del archivodel robot en los principales formatos de CAD sepuede pasar a una estructura compuesta por unfichero “*.xml” con los datos del robot y ficheros“*.stl” con la informacion grafica de cada brazodel robot. Existen aplicaciones de MATLAB pa-ra leer la informacion de los ficheros “*.stl” yobtener graficas en 3D de los brazos del robot enMATLAB.

La aplicacion “ARTE” (“A Robotic Toolbox forEducation”) [10] aprovecha estos ficheros para ge-nerar modelos de los principales robot del merca-do. Esta aplicacion dispone de la cinematica di-recta, basada en Denavit-Hartenberg, e inversa deun conjunto de robots. Tambien dispone de datosdinamicos de alguno de estos robots. Con ello sepuede estudiar los movimientos y trayectorias deun robot industrial viendo su evolucion sobre mo-delos graficos de 3D. Ademas, esta aplicacion dis-pone de algoritmos similares a las instrucciones demovimiento del lenguaje RAPID, para compren-der la forma en la que se disenan estas funcionesy su aplicacion a robot industriales.

La aplicacion grafica ROKISIM (Robot KinematicSimulation) [9] muestra un modelo grafico en 3Dde muchos robots industriales y simula sus movi-mientos basicos.

La aplicacion comercial SimMechanic [15] para SI-MULINK dispone de una herramienta especial,SimMechanic Link [16], que permite importar mo-delos de robot realizados con programas de CADdonde la informacion de su estructura esta en fi-cheros “*.xml” y la informacion sobre sus bra-zos en ficheros “*.stl”. A partir de esta infor-macion, la aplicacion desarrolla un modelo SIMU-LINK (SimMechanic) con la estructura en seriearticulacion-brazo del robot y un modelo graficoen 3D con la figura del robot. Sobre el diagramade SIMULINK se pueden hacer cambios para si-mular los lazos de control de cada brazo del roboty de esta forma, simular la dinamica del mismo.

Se concluye indicando que existen muchas aplica-ciones para modelar y simular un robot fijo usandoMATLAB y SIMULINK. Algunas son genericaspara cualquier tipo de robot definido con el meto-do de Denavit-Hartenberg y otras aprovechan losmodelos de CAD de robot industriales para estu-diar la cinematica y dinamica de robot concretos.

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3. COMUNICACION DE LAAPLICACION CON ELROBOT

El objetivo de este trabajo es el modelado y si-mulacion con MATLAB y SIMULINK del ro-bot ABB IRB-120 para disenar trayectorias desdeMATLAB que seran seguidas por el robot real.

La comunicacion entre la aplicacion de MATLABy el robot de ABB se podrıa haber realizado usan-do multiples protocolos. La ventajas e inconve-nientes de dos de ellos se resumen a continuacion:

Comunicacion por socket: El lenguajeRAPID dispone la posibilidad de comunicar-se a traves de socket vıa local o internet. Es-te metodo implica crear una subtarea o in-terrupcion en el programa de RAPID que encada periodo de muestreo se conecte con elsocket y se comunique con el exterior. Es pre-ciso sincronizar el proceso de lectura y escri-tura entre el robot y su entorno lo que haceque este protocolo sea poco robusto.

Comunicacion por OPC: ABB dispone deun servidor OPC que puede ser ejecutado des-de un PC. Esta aplicacion detecta los robotsde ABB conectados al PC, ya sean reales ovirtuales, y extrae de ellos, en cada periodode muestreo fijado, la informacion del siste-ma, sus variables de entradas y salidas, y lasvariables persistentes del programa RAPIDdel robot. Desde una aplicacion OPC clientese puede leer y modificar dichas variables. Noes preciso que la lectura y escritura esten sin-cronizadas, cuando se modifique una variabledesde el exterior, dicha variable queda modi-ficada en la estacion del robot.

La comunicacion entre la aplicacion de MATLABy el robot de ABB ha sido realizada haciendo usodel servidor OPC proporcionado por ABB [1], ydel cliente OPC proporcionado por la aplicacion“OPC Toolbox” de MATLAB [12]. La comuni-cacion se ha realizado usando variables de salidaanalogicas virtuales por una razon de seguridad.La escritura en variables de salida en RAPID esposible en estado manual y automatico, mientrasque la escritura en variables persistente solo es po-sible en automatico. Con fines educativos y porseguridad, el robot IRB-120 se suele usar en modomanual, ya que en este modo se puede parar elrobot ante cualquier eventualidad dejando de pul-sar el boton de hombre muerto. Se han definidoseis variables de salida virtuales normalizadas en-tre [−100, 100] para transmitir la informacion delos seis ejes del robot.

La forma de comunicarse entre MATLAB y la es-tacion IRB-120 es la siguiente:

MATLAB: Cuando la aplicacion deMATLAB quiera cambiar la posicion delrobot debe modificar el valor de las variablesdel servidor OPC correspondientes a los ejesdel robot.

Estacion IRB-120 (RAPID): El progra-ma en RAPID consiste en un bucle infinitoque lee las salidas analogicas correspondien-tes a los ejes y desplaza al robot a la posiciondefinida por los valores de las variables.

El protocolo que se han empleado proporciona in-dependencia frente al tiempo de lectura y escri-tura. Si se envıa una trayectoria definida por mu-chas posiciones de ejes con un periodo de muestreomuy bajo, puede que el programa RAPID no seacapaz de leer algun punto pero llegara al destinosin quedarse bloqueado. La sincronizacion entreMATLAB y RAPID depende de la velocidad conque MATLAB envıa los datos a las variables desalida del robot.

4. DESCRIPCION DE LASAPLICACIONES: EJEMPLOS

Se han desarrollado tres aplicaciones para mode-lar y simular un robot IRB-120 con MATLAB yconseguir mover el robot real, o virtual si se pre-fiere, con la misma trayectoria que el robot simu-lado. Las dos primeras aplicaciones hacen uso delas funciones de “Robotic Toolbox” [8] y “ARTE”[10]. La tercera aplicacion, sin embargo, hace usode las herramientas de SimMechanic [15, 16].

4.1. Aplicacion grafica de simulacion

El objetivo de esta aplicacion es modelar un ro-bot IRB-120, con su cinematica directa e inversay programar una funcion para visualizar las po-siciones del robot en 3D. La cinematica directa ylas trayectorias del robot se han disenado utilizan-do la aplicacion de [8], mientras que la cinematicainversa ha sido obtenida de la aplicacion de [10].A partir de los ficheros “*.stl” del robot, se haconstruido una funcion plot irb120() con las si-guientes objetivos:

Dibujar el robot en 3D con la posicion de ejesdeseada. Se puede dibujar una secuencia deposiciones si la entrada es una matriz de po-siciones de ejes. Se puede definir un tiempode parada entre posiciones que va a ser utilpara sincronizar el movimiento de la grafica y

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Figura 1: Robot IRB-120 en 3D

el del robot real. La figura 1 muestra el robotsimulado en la posicion q0 = [0, 0, 0, 0, π/2, 0].

El usuario puede escribir dicha posicion enlas variables de entrada de la estacion corres-pondiente, usando el servidor OPC de ABB,.

Cuando el programa de RAPID se activa, elrobot ira moviendose a las mismas posicionesque el robot simulado. El tiempo de esperaentre posiciones es un parametro de sintoni-zacion entre el robot y la simulacion.

Un ejemplo sencillo de esta aplicacion es el movi-miento del robot de una posicion de ejes q0 a q1,iterando los puntos intermedios.

% Se d e f i n e e l r o b o trobot= mdl irb120 ;% Busca l o s v a r i a b l e s en e l OPC s e r v e ri tems= OPCJoint ;% I n t e r p o l a l a s p o s i c i o n e s de e j e sq0= [ 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 ] ; q1=[10 ,20 ,30 ,40 ,50 ]∗ pi /180 ;t= 0 : 0 . 1 : 1 ; q= j t r a j ( q0 , q1 , t ) ;% Se mueve l a g r a f i c a y r o b o t r e a lopt . i tems= itemsp l o t i r b 120 (q , robot , opt ) ;

El programa de RAPID del robot solo lee las va-riables de salida correspondiente a las posicionesde los ejes y mueve el robot adecuadamente.

PROC mov opc jo int ( )VAR j o i n t t a r g e t j o i n t ;TPwrite ” I n i c i o Espera ” ;WHILE true DO! Leer va r i ab l e y mover a donde

correspondaj o i n t := Read Jo int ibr120 ( ) ;MoveAbsJ jo in t , v100 , f i n e ,

e l e c t ro iman ;ENDWHILE

ENDPROC

La figuras 2 y 3 muestran la posicion inicial y finaldel movimiento.

Figura 2: Posicion inicial del robot q0

Figura 3: Posicion final del robot q1

4.2. Aplicacion grafica (GUIDE) para elmovimiento de la estacion

A partir de la funcion plot irb120() se harealizado una aplicacion grafica en GUIDE deMATLAB [13] que permite al usuario realizar deforma sencilla movimientos de ejes por angulos yposiciones cartesianas. Dichos movimientos se vi-sualizan con la funcion plot irb120() y podranser enviadas a las variables de los ejes del robota traves del servidor OPC. Con ello, el usuariopodra mover el robot con una aplicacion graficade MATLAB, de forma similar a como se muevecon la aplicacion FlexPendant de ABB [3].

Las principales caracterısticas de esta aplicacionson la siguientes:

Movimiento a una posicion en coordenadasarticulares. Se puede grabar dicha posicionpara simular una trayectoria.

Movimiento a una posicion del punto de tra-bajo. Se puede grabar dicha posicion para si-mular una trayectoria.

Movimiento del robot entre las posiciones gra-badas anteriormente, ya sean posiciones arti-culares o del punto de trabajo.

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Movimientos de demostracion del robot.

Conexion con OPC para comunicar datos.

La figura 4 muestra la pantalla inicial de la apli-cacion grafica. Se aprecian los diferentes botonespara mover el robot mediante coordenadas articu-lares, coordenadas de punto de trabajo, y resto deelementos mencionados.

Figura 4: Aplicacion grafica para mover el robot

4.3. Simulacion de la dinamica de laestacion

A partir del modelado del robot IRB-120 con unprograma de CAD se puede extraer la informa-cion de su estructura a un fichero “*.xml” y lainformacion de las graficas de sus brazos a fiche-ros “*.stl”.

Se ha realizado un modelo con la herramienta Sim-Mechanic [15] de SIMULINK [16] importado apartir del modelo de CAD. Con este modelo sepueden disenar los controladores del robot.

4.4. Posibles aplicaciones didacticas

El objetivo de las aplicaciones realizadas en esteartıculo es servir de puente entre el estudio ma-tematico de los sistemas robotizados y el practi-co de movimiento real de un robot comercial. Sedesea que el alumno pueda realizar algoritmos se-mejantes a los implementados en lenguaje RAPIDy otros algoritmos nuevos que el desarrolle.

Como ejemplos de ejercicios realizables con estasaplicaciones se pueden citar:

Modelar trayectorias interpolando puntos enel espacio de coordenadas auriculares.

Modelar trayectorias interpolando puntos enel espacio de coordenadas espaciales del puntode trabajo.

Mover el punto de trabajo del robot para mi-nimizar el error entre la posicion de dichopunto y una referencia dada, usando un al-goritmo de optimizacion local. Usar para elloincrementos en las coordenadas auriculares.

Mover el punto de trabajo del robot en la di-reccion medida por un sensor de esfuerzos,que el robot IRB-120 tiene en una de sus he-rramientas.

Mover el punto de trabajo del robot hacia unaposicion movil detectada por una camara devision asociada a una aplicacion de Matlab.

5. CONCLUSIONES

Se han presentado un conjunto de aplicacionesdidacticas desarrolladas sobre MATLAB y SI-MULINK para controlar el movimiento de unrobot real ABB IRB120. El objetivo es que elalumno pueda realizar sus propios programas des-de MATLAB y pueda ver como con ellos se contro-la la trayectoria de un robot real. La herramientade comunicacion entre el robot y las aplicacionesde MATLAB es un simple intercambio de informa-cion usando el servidor OPC de ABB y el clienteOPC de MATLAB. Se consigue un movimientosincronizado entre el modelo grafico 3D del robotvisualizado en MATLAB y el movimiento real delrobot. Con esta herramienta se pretende que elalumno desarrolle funciones en MATLAB simila-res a las instrucciones reales de RAPID del robot,para comparar los algoritmos desarrollados por elalumno con los obtenidos con las funciones del len-guaje RAPID y ası fijar los conocimientos apren-didos en las clases de robotica.

Referencias

[1] ABB robotic. Application manual: IRC5OPC Server. Doc. ID: 3HAC023113-001.

[2] ABB robotic. Manual del producto: IRB120-3/0.6, IRB 120T-3/0.6. Doc. ID:3HAC035728-005.

[3] ABB robotic. Manual del operador IRC5 conFlexPendant. Doc. ID: 3HAC16590-5.

[4] ABB robotic. Manual del operador: RobotS-tudio. Doc. ID: 3HAC032104-005.

[5] ABB robotic. Manual del operador: Intro-duccion a RAPID (RobotWare 5). Doc. ID:3HAC029364-005

[6] Barrientos A., Penin L.F., Balaguer C. y Ara-cil P. (2007) Fundamentos de Robotica (2 edi-cion), MacGraw-Hill.

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[7] Corke, P. (2013) Robotics, Vision & Control,Springer.

[8] Peter Corke (2014) Robotics Toolbox.http://petercorke.com/Robotics Toolbox.html.

[9] Bonev I. (2013) ROKISIM (Robot Ki-nematic Simulation), Escuela de Su-perior de Tecnologıa(Quebec, Cadana)http://www.parallemic.org/RoKiSim.html.

[10] Gil Aparicio A. (2014) ARTE (A Ro-botics Toolbox for Education) Universi-dad Miguel Hernandez (Elche, Espana),http://arvc.umh.es/arte/index en.html.

[11] MathWorks (2014). MATLAB User’s Guide.

[12] MathWorks (2014). OPC Toolbox User’sGuide.

[13] MathWorks (2014). GUIDE Toolbox User’sGuide.

[14] MathWorks (2014). SIMULINK User’s Gui-de.

[15] MathWorks (2014). SimMechanic User’s Gui-de.

[16] MathWorks (2014). SimMechanic Link User’sGuide (2014).

[17] Ollero A. (2001) Robotica, manipuladores yrobots moviles, Editorial Marcombo.

[18] Perez Cisneros M.A., Cuevas Jimenez E.V.,Zaldivar Navarro D. (2014) Fundamentos deRobotica y Mecatronica con MATLAB y SI-MULINK. Editorial RA-MA.

[19] Spong M., Hutchinson S y Vidyasagar (2006)M., Robot, Modeling & Control, Wiley.