Μεθοδολογίες προγραμματισμού κίνησης σε νευρο-ρομποτικά συστήματα

Abstract

Conceptually, a robotic device may be interfaced with a human neural system. Such a robot processes electro myographic activity (EMG signals) and uses it in the control loop that moves the mechanical links. In realizing such a neuro-robotic system, several challenges need to be met. One such challenge is using noisy neural signals as reference inputs in the feedback loop; another is the requirement to mimic human behavior during obstacle avoidance and interaction with non-planar surfaces. It is difficult to use only human neural signals to control an artifact. A human arm cannot use the sensory feedback from the robot in order to directly control it, and the artifact does not have the exact same morphology as the human arm to be able to interpret the neural signals perfectly. This mismatch can jeopardize the person and inflict damage on the environment. Despite the significant amount of work on modeling and decoding the signals from the human brain or from a part of the human body, for safety reasons it is necessary to establish a low level control loop around the artifact, for the exoskeleton’s collision avoidance and motion control. Further motivation for the design of such a control loop comes from robotic tele-operation applications, where the robot’s environment may be dramatically different compared to that in which the human operates. Then, analysis of the human’s signals alone may be insufficient to safely complete the desired task. Another issue that needs to be considered in the design of neuro-robotic systems, (consisting of an exoskeleton cooperating with the human upper limb), is the fact that motors must apply ppropriate torque in order for the exoskeleton to aid, rather than impede, arm movement. The design of most exoskeletons is based on neuro-scientific models, which dictate an agonistic-antagonistic behavior of the mechanism joints. The robotic device motion is therefore constrained. In this thesis we address the challenge of designing such controllers for the artifact. Our controllers drive the robot with safety for surface manipulation and compliant motion without collisions with objects in the environment, while considering input constraints which reflect motion limitations. The consideration of the control design problem for a redundant manipulator, the joint rate inputs of which must remain within pre-specified bounds, is addressed. The development of globally uniformly asymptotically stable controllers is established for this type of robots, for the purpose of: • reference trajectory tracking with obstacle avoidance, and • stabilization with obstacle avoidance, on 2-D surfaces which are embedded manifolds in 3-D robot workspaces.

Η παρούσα διατριβή έχει σκοπό την ανάπτυξη μεθοδολογιών και αλγορίθμων για το σχεδιασμό και προγραμματισμό της κίνησης ενός ρομποτικού βραχίονα. Ο βραχίονας θα εκτελεί κινήσεις οι οποίες θα προέρχονται από τη διασύνδεση του ρομπότ με το νευρικό σύστημα του ανθρώπου. Ένα απλό μέσο διασύνδεσης του ρομπότ με το περιφερειακό νευρικό σύστημα του ανθρώπου είναι τα ηλεκτρομυογραφικά σήματα (EMG - electro myographic signals). Πρόκειται για σήματα που παράγονται και μπορούν να καταγραφούν, από την ηλεκτρική διέγερση που προκαλείται στους μύες του ανθρώπου κατά την εκτέλεση μίας κίνησης. Ωστόσο, ο προσδιορισμός της κίνησης του ανθρώπου με τη χρήση τέτοιων σημάτων, στις περισσότερες των περιπτώσεων, δεν είναι πολύ ακριβής, ώστε να είναι εφικτό μόνο μέσω των πληροφοριών που παρέχουν αυτά, να οδηγηθεί ο ρομποτικός βραχίονας. Το πρόβλημα αυτό γίνεται πιο δύσκολο σε περιπτώσεις όπου το ρομπότ είναι αναγκασμένο να πλοηγηθεί σε περιβάλλοντα που περιέχουν διάσπαρτα αντικείμενα-εμπόδια, τα οποία εισάγουν επιπλέον περιορισμούς στο χώρο δράσης του. Σε τέτοιες περιπτώσεις απαιτείται η ανάπτυξη μεθοδολογιών οι οποίες να επιτρέπουν στο ρομπότ να είναι υποχωρητικό προς συγκεκριμένες επιφάνειες, ενώ ταυτόχρονα να έχει τη δυνατότητα να αποφεύγει εμπόδια που μπορεί να αναχαιτίσουν την κίνησή του. Επίσης, ένα πολύ σημαντικό μέρος των μεθοδολογιών αυτών είναι η αντιμετώπιση του προβλήματος που προκύπτει όταν οι εν λόγω επιφάνειες είναι καμπυλωμένες και περιέχουν κάποιες περιοχές προς τις οποίες το ρομπότ απαγορεύεται να κινηθεί. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, αναπτύχθηκαν μεθοδολογίες προγραμματισμού και ελέγχου της κίνησης ενός ρομποτικού βραχίονα με πλεονάζοντες βαθμούς ελευθερίας, ο οποίος χρησιμοποιείται για την εκτέλεση κάποιων καθηκόντων σε επιφάνειες (τρισδιάστατες πολυπλοκότητες) που βρίσκονται μέσα στο χώρο δράσης του. Ταυτόχρονα, επιτεύχθηκε ο περιορισμός του εύρους των ταχυτήτων της κάθε άρθρωσης του ρομπότ, με αποτέλεσμα να διασφαλίζεται η λειτουργία του μηχανισμού μέσα στα όρια που έχουν τεθεί από τον κατασκευαστή του, και μέσα στα οποία έχει τη δυνατότητα να κινηθεί με ασφάλεια. Τα καθήκοντα τα οποία ο ρομποτικός βραχίονας καλείται να εκτελέσει συνοψίζονται στα εξής: • Το ρομπότ θα πρέπει να μπορεί να σταθεροποιήσει του άκρο του σε κάθε σημείο του χώρου κοντά ή και πάνω σε μία επιφάνεια, ασκώντας παράλληλα σταθερή δύναμη σε αυτή. • Το άκρο του ρομπότ θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα παρακολούθησης μίας συγκεκριμένης και προκαθορισμένης τροχιάς πάνω στην επιφάνεια (διατηρώντας σταθερή απόσταση από αυτήν ή και αναπτύσσοντας συγκεκριμένη επαφή με αυτήν). Η πραγματοποίηση των παραπάνω καθηκόντων συνοδεύεται από ταυτόχρονη αποφυγή οποιουδήποτε εμποδίου υπάρχει μέσα στο χώρο δράσης του ρομπότ, ακόμα και αυτών που βρίσκονται πάνω στην επιφάνεια που μας ενδιαφέρει (απαγορευμένες περιοχές). Με βάση τη μαθηματική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε, την επαλήθευση των αποτελεσμάτων με κατάλληλες αριθμητικές προσομοιώσεις και τη διενέργεια των απαραίτητων πειραμάτων σε ένα ρομποτικό βραχίονα με πλεονάζοντες βαθμούς ελευθερίας, αποδεικνύεται ότι το σύστημα κλειστού βρόχου είναι ομοιόμορφα, ασυμπτωτικά ευσταθές.