Control of reaching motions by redundant robot systems

Abstract

Redundancy in general provides space for optimization in robotics. Redundancy can be defined as sensor/actuator redundancy or kinematic redundancy. The redundancy considered in this thesis is the kinematic redundancy where the total degrees-of-freedom of the robot is more than the total degrees-of-freedom required for the task to be executed. This provides infinite number of solutions to perform the same task, thus, various subtasks can be carried out during the main-task execution.This work focuses on what we consider fundamental in reaching performance to enhance robot acceptability in human-robot shared environments: accuracy in reaching the target, time convergence imposed at will, human-like smoothness of the end-effector and the joint velocities and joint configuration consistency with joint limit guarantee.In particular, this work proposes a redundant arm velocity controllers (kinematic controllers) and torque controllers for reaching, guaranteeing desired completion time and accuracy requirements without the need for trajectory planning. The controllers provides configuration consistency in return motions and hand and joint velocity smoothness. The controllers use in an admittance control scheme given measurements or estimates of external forces is also proposed providing active compliance capabilities in robot–environment interactions.Also, an approach for addressing the inverse differential kinematics of redundant manipulators in the presence of hard joint position constraints is presented. A prescribed performance signal for joint limit avoidance guarantees is proposed that may be utilized in both cases of feasible and non-feasible tasks. In the first case, it may constitute a null space velocity for the primary task velocity mapping; in the second case, it guarantees a solution towards the task goal position by modifying the planned path or generating a feasible path when other algorithms fail.Moreover, this work propose a joint torque control signal that guarantees joint limit avoidance of a redundant arm which may act in parallel with any passive torque controller for reaching targets in relation to the accuracy of the target approach. In this work it is combined with a Jacobian transpose regulator with joint velocity damping.The controllers design are based on the prescribed performance control methodology (PPC). PPC allows us to impose certain specifications on the performance of the output signals of uncertain systems, and in some cases, without even using approximators to acquire information regarding the considered system dynamics.Simulation studies for a 5dof human arm-like robot, a 7dof arm (KUKA LWR4+ 7dof manipulator) and experiments with a 7dof arm (KUKA LWR4+ 7dof manipulator) are performed to verify the approaches and demonstrate the proposed controller’s performance.

Σε γενικές γραμμές, ο πλεονασμός ανοίγει δρόμους για την βελτιστοποίηση της ρομποτικής. Ο πλεονασμός μπορεί να οριστεί ως πλεονασμός αισθητήρων/κινητήρων ή ως κινηματικός πλεονασμός. Σε αυτή τη διατριβή χρησιμοποιείται ο κινηματικός πλεονασμός όπου οι συνολικοί βαθμοί ελευθερίας του ρομπότ είναι περισσότεροι από τους βαθμούς ελευθερίας που απαιτούνται για την εκτέλεση μιας εργασίας. Αυτός ο πλεονασμός παρέχει άπειρο αριθμό λύσεων για την πραγματοποίηση μιας εργασίας και έτσι, παράλληλα με τηςν εκτέλεσης της κύριας εργασίας, μπορούν να διεξάγονται και διάφορες υποεργασίες.Η διατριβή αυτή εστιάζει στην επίδοση της έκτασης ρομποτικών βραχιόνων έτσι ώστε να βελτιωθεί η αποδοχή των ρομπότ σε περιβάλλοντα όπου συνυπάρχουν άνθρωποι και ρομπότ. Για αυτό το λόγο απαιτείται ακρίβεια στο να φτάσει το ρομπότ το στόχο του, χρονική σύγκλιση επιβαλλόμενη κατά βούληση, ανθρώπινη ομαλότητα του άκρου και την συνοχή των ταχυτήτων και της διάταξης των αρθρώσεων, με εγγυημένη αποφυγή των ορίων των αρθρώσεων. Συγκεκριμένα, η διατριβή αυτή προτείνει έναν ελεγκτή ταχύτητας για πλεονασματικούς βραχίονες (κινηματικός ελεγκτής) και ελεγκτές ροπής για την έκταση ρομποτικού βραχίονα, οι οποίοι εγγυώνται ολοκλήρωση της εργασίας στον επιθυμητό χρόνο και ακρίβεια χωρίς να χρειάζεται σχεδίαση τροχιάς. Οι ελεγκτές παρέχουν συνοχή της διάταξης των αρθρώσεων στις κινήσεις επιστροφής και ομαλότητα των ταχυτήτων του χεριού και των αρθρώσεων. Επίσης, προτείνεται ένας ελεγκτής ο οποίος χρησιμοποιείται σε ένα σχήμα ελέγχου της μηχανικής εμπέδησης μέσω κινηματικών εντολών (admittance controller), το οποίο με βάση μετρήσεων ή εκτιμήσεων των εξωτερικών δυνάμεων, παρέχει ενεργή υποχωρητικότητα σε αλληλεπιδράσεις του ρομπότ με το περιβάλλον.Επίσης, παρουσιάζεται μια προσέγγιση στην αντιμετώπιση του αντίστροφου διαφορικού κινηματικού προβλήματος των πλεονασματικών βραχιόνων, παρουσία περιορισμών των θέσεων των αρθρώσεων. Προτείνεται ένα σήμα προκαθορισμένης επίδοσης που εγγυάται την αποφυγή των ορίων των αρθρώσεων, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε εφικτές και σε μη εφικτές εργασίες. Στην πρώτη περίπτωση, μπορεί να συνιστά μια ταχύτητα στο μηδενοχώρο για την πρωταρχική εργασία αντιστοίχισης ταχυτήτων, ενώ στην δεύτερη εγγυάται λύση στην προσέγγιση του στόχου, μεταβάλλοντας το προσχεδιασμένο μονοπάτι ή παράγοντας ένα εφικτό μονοπάτι σε περιπτώσεις που αρκετοί από τους υπάρχοντες αλγορίθμους αποτυγχάνουν. Επίσης, η διατριβή αυτή προτείνει ένα σήμα ροπών στις αρθρώσεις που εγγυάται την αποφυγή των ορίων των αρθρώσεων για πλεονασματικούς βραχίονες, το οποίο μπορεί να λειτουργεί παράλληλα με κάποιον παθητικό ελεγκτή προσέγγισης στόχων σε σχέση με την ακρίβεια της προσέγγισης των στόχων. Στην συγκεκριμένη δουλειά, το σήμα αυτό συνδυάζεται με έναν ελεγκτή προσέγγισης που χρησιμοποιεί την ανάστροφη Ιακωβιανή, μαζί με απόσβεση.Η σχεδίαση των ελεγκτών είναι βασισμένη στην μεθοδολογία προκαθορισμένης επίδοσης (Prescribed Performance - PPC). Η μεθοδολογία αυτή μας επιτρέπει να επιβάλλουμε συγκεκριμένες προδιαγραφές στην επίδοση του σήματος εξόδου άγνωστων συστημάτων, και σε κάποιες περιπτώσεις, χωρίς καν να χρησιμοποιούμε προσεγγιστικές μεθοδολογίες για να λάβουμε πληροφορία για την δυναμική του συστήματος.Οι προσομοιώσεις της συγκεκριμένης διατριβής έγιναν χρησιμοποιώντας ανθρωπομορφικούς βραχίονες των 5 βαθμών ελευθερίας και των 7 βαθμών ελευθερίας (KUKA LWR4+ 7dof manipulator), ενώ για τα πειράματα χρησιμοποιήθηκε ο βραχίονας 7 βαθμών ελευθερίας KUKA LWR4+. Τόσο οι προσομοιώσεις, όσο και τα πειράματα επαληθεύουν τις προσεγγίσεις και αποδεικνύουν την επίδοση των προτεινόμενων ελεγκτών.