Trajectory and Force Control of a Direct Drive Arm

Using the MIT Serial Link Direct Drive Arm as the main experimental device, various issues in trajectory and force control of manipulators were studied in this thesis. Since accurate modeling is important for any controller, issues of estimating the dynamic model of a manipulator and its load were addressed first. Practical and effective algorithms were developed fro the Newton-Euler equations to estimate the inertial parameters of manipulator rigid-body loads and links. Load estimation was implemented both on PUMA 600 robot and on the MIT Serial Link Direct Drive Arm. With the link estimation algorithm, the inertial parameters of the direct drive arm were obtained. For both load and link estimation results, the estimated parameters are good models of the actual system for control purposes since torques and forces can be predicted accurately from these estimated parameters. The estimated model of the direct drive arm was them used to evaluate trajectory following performance by feedforward and computed torque control algorithms. The experimental evaluations showed that the dynamic compensation can greatly improve trajectory following accuracy. Various stability issues of force control were studied next. It was determined that there are two types of instability in force control. Dynamic instability, present in all of the previous force control algorithms discussed in this thesis, is caused by the interaction of a manipulator with a stiff environment. Kinematics instability is present only in the hybrid control algorithm of Raibert and Craig, and is caused by the interaction of the inertia matrix with the Jacobian inverse coordinate transformation in the feedback path. Several methods were suggested and demonstrated experimentally to solve these stability problems. The result of the stability analyses were then incorporated in implementing a stable force/position controller on the direct drive arm by the modified resolved acceleration method using both joint torque and wrist force sensor feedbacks.

Disseny i construcció d’ un braç de robot de 5 graus de llibertat governat des de PC via USB.

El braç robot es va crear com a resposta a una necessitat de fabricació d’elements mitjançant la producció en cadena i en tasques que necessiten precisió. Hi ha, però, altres tipus de tasques les quals no són repetitives, ni poden ésser programades, que necessiten però ser controlades en tot moment per un ésser humà. Són activitats que han d’estar realitzades per un ésser humà, però que requereixen molta precisió, és per això que es creu necessari el disseny d’un prototipus de control d’un braç robot estàndard, que permeti a una persona el control total sobre aquest en temps real per a la realització d’una tasca no repetitiva i no programable prèviament. Pretenem, en el present projecte, dissenyar i construir un braç robot de 5 graus de llibertat, controlat des d’un PC mitjançant un microcontrolador PIC amb comunicació a través d’un bus USB. El robot serà governat des d’un PC a través d’un software de control específic

Integració d’ una unitat inercial i d’ un giroscopi de fibra òptica en un robot submarí i desenvolupament d’ un sistema de posicionament dins una piscina

El Grup de Visió per Computador i Robòtica (VICOROB) del departament d'Electrònica, Informàtica i Automàtica de la Universitat de Girona investiga en el camp de la robòtica submarina. Al CIRS (Centre d’Investigació en Robòtica Submarina), laboratori que forma part del grup VICOROB, el robot submarí Ictineu és la principal eina utilitzada per a desenvolupar els projectes de recerca. Recentment, el CIRS ha adquirit un nou sistema de sensors d' orientació basat en una unitat inercial i un giroscopi de fibra òptica. Aquest projecte pretén realitzar un estudi d' aquests dispositius i integrar-los al robot Ictineu. D' altra banda, aprofitant les característiques d’aquests sensors giroscopics i les mesures d' un sonar ja integrat al robot, es vol desenvolupar un sistema de localització capaç de determinar la posició del robot en el pla horitzontal de la piscina en temps real

Entorn de programació pel robot Stäubli mitjantçant MatLab, aplicació a un sistema de recol·lecció de peces basat en visió artificial

Els objectius del projecte són: realitzar un intèrpret de comandes en VAL3 que rebi les ordres a través d’una connexió TCP/IP; realitzar una toolbox de Matlab per enviar diferents ordres mitjançant una connexió TCP/IP; adquirir i processar mitjançant Matlab imatges de la càmera en temps real i detectar la posició d’objectes artificials mitjançant la segmentació per color i dissenyar i realitzar una aplicació amb Matlab que reculli peces detectades amb la càmera. L’abast del projecte inclou: l’estudi del llenguatge de programació VAL3 i disseny de l’ intèrpret de comandes, l’estudi de les llibreries de Matlab per comunicació mitjançant TCP/IP, per l’adquisició d’imatges, pel processament d’imatges i per la programació en C; el disseny de la aplicació recol·lectora de peces i la implementació de: un intèrpret de comandes en VAL3, la toolbox pel control del robot STAUBLI en Matlab i la aplicació recol·lectora de peces mitjançant el processament d’imatges en temps real també en Matlab

Millora experimental de les lleis de control predictiu aplicades sobre la plataforma PRIM I, per el seguiment de trajectòries

Aquest projecte s’aplica sobre el robot PRIM (Plataforma Robotitzada d’Informació Multimèdia), un robot autònom no humanoide creat el 2004 per Ateneu Informàtic (AI) que permet realitzar trajectòries 2D gràcies a un sistema de tracció format per dues rodes motrius propulsades independentment. La plataforma PRIM és controlada a partir del control predictiu, aquest control es va implementar en un projecte anterior, creat per l’Alexandre Blasco Gutierrez i titulat “Implementació de tècniques MPC (Model Predictiu Control) sobre la plataforma PRIM I”. El que es pretén en aquest projecte és millorar els resultats obtinguts en el passat projecte reformulant la llei de control i analitzar les discrepàncies obtingudes en les metodologies que s’utilitzen per minimitzar la funció de costos a partir de simulacions de trajectòries

Odometria i planificació de trajectòries amb el robot e-puck

En el laboratori docent de robòtica s'utilitzen robots mòbils autònoms per treballar aspectes relacionats amb el posicionament, el control de trajectòries, la construcció de mapes... Es disposa de cinc robots comercials anomenats “e-puck”, que es caracteritzen per les seves dimensions reduïdes, dos motors i un conjunt complet de sensors. Aquests robots es programen en C++ utilitzant el simulador Webots, que disposa d'un conjunt de llibreries per programar el robot. També es disposa d'un entorn de proves on els robots es poden moure i evitar obstacles. Donat el poc temps que disposen els estudiants que realitzen pràctiques en aquest laboratori, és d'interès desenvolupar un software que contingui ja el posicionament del robot mitjançant odometria i també varis algoritmes de control de trajectòries. Per últim, en el laboratori es disposa de càmeres i targes d'adquisició de dades. Així doncs els objectius que s'han proposat per el projecte són: 1. Estudi de la documentació i software proporcinats pels fabricants del robot i de l'entorn Webots; 2. Programació del software de l'odometria i realització de proves per comprovar-ne la precisió; 3. Disseny, programació i verificació del software dels algoritmes de planificació de trajectòries. Realització d'experiments per a comprovar-ne el funcionament i 4. Disseny, programació i verificació d'un sistema de visió artificial que permeti conèixer la posició absoluta del robot en l'entorn

Programació del robot e-puck amb Microsoft Robotics Studio

Microsoft Robotics Studio (MRS) és un entorn per a crear aplicacions per a robots utilitzant una gran varietat de plataformes hardware. Conté un entorn de simulació en el que es pot modelar i simular el moviment del robot. Permet també programar el robot, i executar-lo en l’entorn simulat o bé en el real. MRS resol la comunicació entre els diferents processos asíncrons que solen estar presents en el software de control d’un robot: processos per atendre sensors, actuadors, sistemes de control, comunicacions amb l’exterior,... MRS es pot utilitzar per modelar nous robots utilitzant components que ja estiguin disponibles en les seves llibreries, o també permet crear component nous. Per tal de conèixer en detall aquesta eina, seria interessant utilitzar-la per programa els robots e-pucks, uns robots mòbils autònoms de petites dimensions que disposen de dos motors i un complet conjunt de sensors. El que es vol és simular-los, realitzar un programa de control, realitzar la interfície amb el robot i comprovar el funcionament amb el robot real

Vision-based localization of an underwater robot in a structured environment

This paper presents a vision-based localization approach for an underwater robot in a structured environment. The system is based on a coded pattern placed on the bottom of a water tank and an onboard down looking camera. Main features are, absolute and map-based localization, landmark detection and tracking, and real-time computation (12.5 Hz). The proposed system provides three-dimensional position and orientation of the vehicle along with its velocity. Accuracy of the drift-free estimates is very high, allowing them to be used as feedback measures of a velocity-based low-level controller. The paper details the localization algorithm, by showing some graphical results, and the accuracy of the system

Autonomous underwater vehicle control using reinforcement learning policy search methods

Autonomous underwater vehicles (AUV) represent a challenging control problem with complex, noisy, dynamics. Nowadays, not only the continuous scientific advances in underwater robotics but the increasing number of subsea missions and its complexity ask for an automatization of submarine processes. This paper proposes a high-level control system for solving the action selection problem of an autonomous robot. The system is characterized by the use of reinforcement learning direct policy search methods (RLDPS) for learning the internal state/action mapping of some behaviors. We demonstrate its feasibility with simulated experiments using the model of our underwater robot URIS in a target following task

Pose-based SLAM with probabilistic scan matching algorithm using a mechanical scanned imaging sonar

This paper proposes a pose-based algorithm to solve the full SLAM problem for an autonomous underwater vehicle (AUV), navigating in an unknown and possibly unstructured environment. The technique incorporate probabilistic scan matching with range scans gathered from a mechanical scanning imaging sonar (MSIS) and the robot dead-reckoning displacements estimated from a Doppler velocity log (DVL) and a motion reference unit (MRU). The proposed method utilizes two extended Kalman filters (EKF). The first, estimates the local path travelled by the robot while grabbing the scan as well as its uncertainty and provides position estimates for correcting the distortions that the vehicle motion produces in the acoustic images. The second is an augment state EKF that estimates and keeps the registered scans poses. The raw data from the sensors are processed and fused in-line. No priory structural information or initial pose are considered. The algorithm has been tested on an AUV guided along a 600 m path within a marina environment, showing the viability of the proposed approach

Model-based objects recognition in industrial environments for autonomous vehicles control

Behavior-based navigation of autonomous vehicles requires the recognition of the navigable areas and the potential obstacles. In this paper we describe a model-based objects recognition system which is part of an image interpretation system intended to assist the navigation of autonomous vehicles that operate in industrial environments. The recognition system integrates color, shape and texture information together with the location of the vanishing point. The recognition process starts from some prior scene knowledge, that is, a generic model of the expected scene and the potential objects. The recognition system constitutes an approach where different low-level vision techniques extract a multitude of image descriptors which are then analyzed using a rule-based reasoning system to interpret the image content. This system has been implemented using a rule-based cooperative expert system

Knowledge integration within an applied mobile robot summer course

This paper presents the use of a mobile robot platform as an innovative educational tool in order to promote and integrate different curriculum knowledge. Hence, it is presented the acquired experience within a summer course named ldquoapplied mobile roboticsrdquo. The main aim of the course is to integrate different subjects as electronics, programming, architecture, perception systems, communications, control and trajectory planning by using the educational open mobile robot platform PRIM. The summer course is addressed to a wide range of student profiles. However, it is of special interests to the students of electrical and computer engineering around their final academic year. The summer course consists of the theoretical and laboratory sessions, related to the following topics: design & programming of electronic devices, modelling and control systems, trajectory planning and control, and computer vision systems. Therefore, the clues for achieving a renewed path of progress in robotics are the integration of several knowledgeable fields, such as computing, communications, and control sciences, in order to perform a higher level reasoning and use decision tools with strong theoretical base

Local model predictive control experiences with differential driven wheeled mobile robots

This work extends a previously developed research concerning about the use of local model predictive control in differential driven mobile robots. Hence, experimental results are presented as a way to improve the methodology by considering aspects as trajectory accuracy and time performance. In this sense, the cost function and the prediction horizon are important aspects to be considered. The aim of the present work is to test the control method by measuring trajectory tracking accuracy and time performance. Moreover, strategies for the integration with perception system and path planning are briefly introduced. In this sense, monocular image data can be used to plan safety trajectories by using goal attraction potential fields

Introducción de las técnicas de adquisición de datos y control de experiencias por ordenador en el laboratorio de ciencias experimentales.

Aportar nuevas perspectivas a las experiencias didácticas, utilizando las técnicas de la robótica y control mediante ordenador. Exponer cómo es posible realizar el seguimiento espacial tridimensional de los móviles en experiencias de demostración de cinemática y dinámica. Obtener gráficos del comportamiento real del campo eléctrico. Obtener colecciones de medidas que informen sobre la distribución de potenciales eléctricos en el espacio tridimensional. Medir sistemáticamente las 3 componentes del campo magnético en puntos distribuidos en una zona espacial tridimensional. Estudiar los fenómenos ondulatorios en las 3 dimensiones del espacio y observar su evolución temporal. 3 Grupos de 3 alumnos de Enseñanzas Medias y un grupo de 4 alumnos de Universidad. Transforman el ordenador en una ventana abierta a la naturaleza y al mundo físico. Observan y analizan experiencias en el espacio en sus tres dimensiones y en el tiempo, hacen scanners de campos eléctricos y magnéticos, siguen en el espacio móviles mecánicos y hacen visibles las ondas sonoras. Estas experiencias se han sometido a la consideración de los alumnos, mediante un cuestionario, para conocer las distintas posibilidades que el nuevo material facilita como herramienta didáctica. Cuestionario. Figuras. 1. Se ha desarrollado un sistema de seguimiento de móviles en 3 dimensiones mediante ultrasonidos que permite hacer experiencias de mecánica en tiempo real. 2. Se ha construido un prototipo en el que, mediante un robot didáctico, un ordenador y una cubeta con electrolito, se realizan scanners del campo eléctrico. 3. Se ha puesto a punto un equipo que, mediante un robot, un ordenador y una bobina, permite realizar colecciones de datos tridimensionales de las componentes del campo magnético y observar las trayectorias de éstas en el espacio. 4. Se ha construido una instalación que permite observar las ondas sonoras en el espacio y en el tiempo. Se ven las ondas de sonido como olas en movimiento y se aprecian fenómenos como interferencias, difracción, etc. 5. Las técnicas resultan interesantes porque permiten a los alumnos vivir con mayor protagonismo el aprendizaje. Ante todo, existe por su parte la aspiración de que les sirvan para realizar proyectos concretos y redescubrimiento de las leyes de la Naturaleza. 6. Se han realizado cinco publicaciones en revistas nacionales. 7. Se han solicitado dos patentes. 8. Se ha llegado a un acuerdo con la empresa Edibon. (Consultar los resultados del cuestionario en la propia investigación).

Disseny de controladors òptims per al robot Pioneer

Aquest projecte titulat: “Disseny de controladors òptims per al robot Pioneer”, té com a funció incloure en la recerca, que ja està iniciada, del control del Robot Pioneer 2DX, una nova versió d’agents go to per al funcionament del robot. La problemàtica que ens trobem és sobretot per al primer controlador. Fins ara el sistema multi-agent fet, feia servir un agent go to que generava la trajectòria a seguir i la controlava mitjançant un PID. Introduint un mètode geomètric com és el cas del pure pursuit la cosa es complica ja que és més complex l’ajustament del funcionament d’aquest. Centrant-nos en canvi el cas del segon controlador el problema es simplifica ja que l’ajustatge d’aquest mateix es pot realitzar de manera empírica i la problemàtica per a la situació en concret es millora amb major facilitat. És per aquest motiu, sobretot pel primer controlador, que s’han hagut de realitzar algunes modificacions en el plantejament del projecte al llarg d’aquest. En un principi estava pensat crear aquest controlador a través de Matlab® mitjançant l’eina Simulink® però per problemes de software en un moment donat hem hagut de redirigir el projecte cap al llenguatge base de l’estructura multi-agent com és el C++. Per aquest motiu també s’ha hagut de prescindir de la implementació d’aquests també en l’estructura LabView®.