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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.18.2013.tde-25092013-154943
Document
Author
Full name
Leonardo Marquez Pedro
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2013
Supervisor
Committee
Caurin, Glauco Augusto de Paula (President)
Becker, Marcelo
Cordero, Arturo Forner
Rodrigues, Evandro Luis Linhari
Romero, Roseli Aparecida Francelin
Title in Portuguese
Uma proposta de sistema robótico para manipulação e interação física segura em ambientes não estruturados
Keywords in Portuguese
Controle de impedância
Manipulação robótica
Planejador de manipulação
Planejador de trajetórias
Prevenção de colisão
Tratamento de colisão
Abstract in Portuguese
Este trabalho propõe um sistema de manipulação robótica para interação física segura com objetos ou humanos em ambientes não estruturados. A proposta considera a execução de tarefas de manipulação e a prevenção e tratamento de colisões utilizando apenas uma lei de controle, o controle de impedância. A inovação científica consiste em um sistema multifuncional implementado com uma única lei de controle em contraste com os sistemas já existem que utilizam chaveamento entre controladores para cada diferente funcionalidade do sistema, e que apresentam diversas desvantagens como instabilidade e oscilações, aumento da complexidade de programação, entre outras. Inicialmente é proposto um planejador de manipulação e regrasping baseado na combinação de trajetórias suaves e na adaptação dos parâmetros de um controle de impedância em tempo de execução. A mudança da impedância para cada etapa é obtida pela modificação dos parâmetros de inércia, rigidez e amortecimento do controlador. A estabilidade desta mudança dinâmica é possível pela utilização de trajetórias suaves obtidas com planejador Squeezed Screw modificado, cujas trajetórias geradas são livres de descontinuidades na posição e na velocidade. Adicionalmente, a prevenção de colisões é realizada com o auxílio de campos potenciais de forças de repulsão formados pela análise de dados de um sistema de visão também proposto. Estes mesmos dados são utilizados para a construção de um mapa de impedâncias ao redor do objeto cuja finalidade é suavizar efeitos de colisões indesejadas. Experimentos com um robô de arquitetura aberta e com um sistema de visão de baixo custo foram realizados na execução tarefa de manipulação de referência para se avaliar o desempenho da metodologia proposta em diferentes condições de operação encontradas em ambientes não estruturados, como por exemplo: erros de medida de posição, de calibração, ocorrência de colisões, etc. A tarefa de manipulação eleita foi a reorientação em 60° de um objeto circular no plano. Os resultados obtidos nos experimentos mostram a capacidade do controle de impedância associado a trajetórias suaves de realizar a tarefa eleita segundo avaliação utilizando como métricas de desempenho a porcentagem de reorientação, que apresentou uma média de 80% mesmo na presença de erros de medida do sensor de visão e erros de determinação da posição do objeto.
Title in English
A proposal of a robotic manipulation system for safe physical interaction in non-structured environments
Keywords in English
Collision avoidance
Collision handling
Impedance control
Robotic manipulation
Abstract in English
Recent applications in various robotics areas consider interaction between robots and objects or humans in non-structured environments. Under these conditions, in addition to the desire of robots to be able to perform their main tasks, handling, navigation, rehabilitation, etc, it is also desired to prevent and properly handle possible unwanted collisions, whether with objects, with other robots, animals or humans. There are several proposed methods for avoidance, handling and reaction for collisions, however, a widely used strategy is the controller switching between different robot states. There are several drawbacks within this strategy: instability and oscillation, increased programming complexity and consequent increased failure risk, need for different sensors and consequent increase in cost, among others. This work proposes a system applied to the robotic manipulation which is based on only one control law, the impedance control, whose expected capacity is, further performing manipulation tasks, avoidance and handling of potential undesired collisions. It is initially proposed a manipulation planner based the combination of smooth trajectories and the adjustment of parameters an impedance control at runtime. The change of impedance for each phase is achieved by modifying the parameters: mass, spring and damping controller. The stability of this dynamic change is possible by using smooth trajectories obtained with a modified Squeezed Screw trajectory planner, whose paths are discontinuities free in the position and speed. Additionally, collision avoidance is achieved through potential fields the repulsive forces of formed by analysis of data vision. The same data is used to construct an impedance map surrounding the object which objective is collision handling. Experiments with an open architecture robot and a low cost vision system are carried out in the execution of a benchmark manipulation task to evaluate the proposal performance under different operating conditions found in unstructured environments, for example, position measurement errors, calibration problems, occurrence of collisions, among others.
 
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Publishing Date
2013-10-03
 
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