Έλεγχος εξασφάλισης κύλισης σε σφαιρικά ρομποτικά ακροδάκτυλα

Abstract

Similarly to human hands, rolling contact motion of a robotic fingertip is irrevocably connected with the stable grasping and dexterous manipulation of an object by a robot hand. In contrast to a sliding contact, rolling robotic fingertips allow the fine and accurate adjustment of the contact positions, thus facilitating the dynamic achievement of grasp stability and object's desired pose. Although fingertips' rolling motion has been early recognized by researchers as an important contact property in order to enable robot hand dexterity, most of the existing controllers for dexterous grasping and manipulation consider rolling as a constraint rather than a control objective. Specifically, they base their design on an ideal system model expressed by differential algebraic equations, incorporating rolling constraints and thus assuming the availability of a potentially infinite friction. Hence, fingertips' rolling motion is considered to be a priori guaranteed and achieved. However in practice, the existing friction may not be sufficient to sustain the tangential forces induced by the controller. Consequently under normal friction conditions, most of the above controllers are likely to result in a fingertip's motion upon the contact surface that consists of both rolling and sliding or even only of sliding. In this work, guaranteeing the fingertip's rolling motion is not a priori assumed, but considered as an additional control objective. The proposed control laws presented in this thesis guarantee the rolling motion of a robotic finger's spherical tip upon any contact surface with unknown or even unfavorable friction conditions, controlling at the same time the tip's position upon the surface and the magnitude of the normal force exerted by the finger. In particular, this work presents control schemes that either utilize the knowledge of the robot finger's model (model based control) or that do not require such knowledge (model free control). The design of the latter is based on the Prescribed Performance Control Methodology. Theoretical design and validation via simulations are presented for all the proposed controllers, demonstrating the achievement of the robotic fingertip's rolling motion upon the contact surface which is the main control objective considered in this work. Experimental results are also given for some of the proposed controllers, further solidifying their effectiveness. Lastly, the achievement of the fingertip's rolling motion via one of the proposed control laws is utilized for the graspless manipulation of an object by a robotic finger, through application of a suitable tangential force. Specifically, simulation results are presented for a planar and a cylindrical object, demonstrating their successful manipulation that involves moving them to a desired target location and/or rotating them by a desired angle.

Όπως στην περίπτωση του ανθρώπου έτσι και στην περίπτωση των δακτύλων ενός ρομποτικού χεριού, η κίνηση μέσω κύλισης των ακροδακτύλων είναι καθοριστική για την επίτευξη της ευσταθούς σύλληψης και του ομαλού χειρισμού ενός αντικειμένου από το ρομποτικό χέρι. Σε αντίθεση με μια κίνηση ολίσθησης πάνω στην επιφάνεια με την οποία έρχεται σε επαφή το ρομποτικό δάκτυλο, η κύλιση του ακροδακτύλου βοηθάει στην ακριβέστερη τοποθέτησή του πάνω στην επιφάνεια αυτή, συμβάλλοντας έτσι στον ομαλότερο συνολικά χειρισμό του εκάστοτε αντικειμένου όπως για παράδειγμα η μετακίνηση ή η περιστροφή του. Στην υπάρχουσα βιβλιογραφία, οι περισσότεροι ελεγκτικοί νόμοι που έχουν προταθεί σχεδιάζονται με βάση ένα εξιδανικευμένο μοντέλο του συστήματος ρομποτικού δακτύλου - επιφάνειας επαφής. Το μοντέλο αυτό περιλαμβάνει ενσωματωμένους τους δεσμούς κύλισης του ακροδακτύλου, με αποτέλεσμα η κίνηση κύλισης να θεωρείται επί της ουσίας ως κάτι δεδομένο και εκ των προτέρων εξασφαλισμένο. Στην πραγματικότητα φυσικά το παραπάνω δεν ισχύει, καθώς οι εκάστοτε υπάρχουσες συνθήκες τριβής που εξαρτώνται από τα υλικά του ακροδακτύλου και της επιφάνειας μπορεί να ευνοούν λίγο ή και καθόλου την κύλιση του πρώτου πάνω στην δεύτερη. Έτσι στις περιπτώσεις αυτές, οι παραπάνω ελεγκτικές μεθοδολογίες είναι πολύ πιθανό να οδηγήσουν το ακροδάκτυλο σε μια κίνηση που θα αποτελείται από συνδυασμένη κύλιση και ολίσθηση ή ακόμη και μόνον από ολίσθηση. Στην διδακτορική αυτή διατριβή, η εξασφάλιση της κύλισης του ακροδακτύλου πάνω σε μια επιφάνεια επαφής δεν θεωρείται δεδομένη από πριν, αλλά λαμβάνεται υπόψιν ως ένας επιπλέον στόχος ελέγχου. Οι ελεγκτές που προτείνονται επιτυγχάνουν την διασφάλιση της κύλισης του σφαιρικού άκρου ενός ρομποτικού δακτύλου σε μια οποιαδήποτε επιφάνεια με άγνωστες ή και μη ευνοϊκές συνθήκες τριβής, συνδυάζοντας παράλληλα την επίτευξη του ευρέως διαδεδομένου στη ρομποτική ελέγχου της θέσης του ακροδακτύλου και του μέτρου της ασκούμενης από αυτό κάθετης δύναμης. Σχεδιάζονται ελεγκτές οι οποίοι είτε βασίζονται στην γνώση του μοντέλου του ρομποτικού δακτύλου (model based control), είτε δεν απαιτούν καμία τέτοια πληροφορία (model free control). Για την σχεδίαση των τελευταίων χρησιμοποιείται η Μέθοδος Ελέγχου Προδιαγεγραμμένης Επίδοσης (Prescribed Performance Control Methodology). Για όλους τους προτεινόμενους ελεγκτές, παρουσιάζεται η θεωρητική σχεδίαση και η προσομοιακή τους αξιολόγηση που αποδεικνύουν την εξασφάλιση του βασικότερου ελεγκτικού μας στόχου, δηλαδή της κύλισης του ρομποτικού ακροδακτύλου πάνω στην επιφάνεια επαφής, ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις παρουσιάζονται επιπροσθέτως και πειραματικά αποτελέσματα που ενισχύουν ακόμα περισσότερο την αποτελεσματικότητα των αντίστοιχων προτεινόμενων ελεγκτών. Τέλος, η εξασφάλιση της κύλισης του ακροδακτύλου μέσω ενός από τους προτεινόμενους ελεγκτές αξιοποιείται για την εφαρμογή κατάλληλης εφαπτομενικής δύναμης ώστε να επιτευχθεί ο επιθυμητός χειρισμός χωρίς σύλληψη ενός αντικειμένου από ένα ρομποτικό δάκτυλο. Ειδικότερα, παρουσιάζεται μέσω προσομοιώσεων η επιτυχής μετακίνηση ή/και περιστροφή ενός επίπεδου και ενός κυλινδρικού αντικειμένου μέσω χειρισμού χωρίς σύλληψη από ένα ρομποτικό δάκτυλο με εκμετάλλευση της κύλισης του άκρου του πάνω στο εκάστοτε αντικείμενο.