Visual Servoing in Robotics

Visual servoing is a well-known approach to guide robots using visual information. Image processing, robotics, and control theory are combined in order to control the motion of a robot depending on the visual information extracted from the images captured by one or several cameras. With respect to vision issues, a number of issues are currently being addressed by ongoing research, such as the use of different types of image features (or different types of cameras such as RGBD cameras), image processing at high velocity, and convergence properties. As shown in this book, the use of new control schemes allows the system to behave more robustly, efficiently, or compliantly, with fewer delays. Related issues such as optimal and robust approaches, direct control, path tracking, or sensor fusion are also addressed. Additionally, we can currently find visual servoing systems being applied in a number of different domains. This book considers various aspects of visual servoing systems, such as the design of new strategies for their application to parallel robots, mobile manipulators, teleoperation, and the application of this type of control system in new areas

Survey of Visual and Force/Tactile Control of Robots for Physical Interaction in Spain

Sensors provide robotic systems with the information required to perceive the changes that happen in unstructured environments and modify their actions accordingly. The robotic controllers which process and analyze this sensory information are usually based on three types of sensors (visual, force/torque and tactile) which identify the most widespread robotic control strategies: visual servoing control, force control and tactile control. This paper presents a detailed review on the sensor architectures, algorithmic techniques and applications which have been developed by Spanish researchers in order to implement these mono-sensor and multi-sensor controllers which combine several sensors

Direct Visual Servoing Framework based on Optimal Control for Redundant Joint Structures

This paper presents a new framework based on optimal control to define new dynamic visual controllers to carry out the guidance of any serial link structure. The proposed general method employs optimal control to obtain the desired behaviour in the joint space based on an indicated cost function which determines how the control effort is distributed over the joints. The proposed approach allows the development of new direct visual controllers for any mechanical joint system with redundancy. Finally, authors show experimental results and verifications on a real robotic system for some derived controllers obtained from the control framework.This work was funded by the Spanish Ministry of Economy, the European FEDER funds and the Valencia Regional Government, through the research projects DPI2012-32390 and PROMETEO/2013/085

A hybrid switched reactive-based visual servo control of 5-DOF robot manipulators for pick-and-place tasks

[[notice]]補正完

Robot Visual Servoing Using Discontinuous Control

This work presents different proposals to deal with common problems in robot visual servoing based on the application of discontinuous control methods. The feasibility and effectiveness of the proposed approaches are substantiated by simulation results and real experiments using a 6R industrial manipulator. The main contributions are: - Geometric invariance using sliding mode control (Chapter 3): the defined higher-order invariance is used by the proposed approaches to tackle problems in visual servoing. Proofs of invariance condition are presented. - Fulfillment of constraints in visual servoing (Chapter 4): the proposal uses sliding mode methods to satisfy mechanical and visual constraints in visual servoing, while a secondary task is considered to properly track the target object. The main advantages of the proposed approach are: low computational cost, robustness and fully utilization of the allowed space for the constraints. - Robust auto tool change for industrial robots using visual servoing (Chapter 4): visual servoing and the proposed method for constraints fulfillment are applied to an automated solution for tool changing in industrial robots. The robustness of the proposed method is due to the control law of the visual servoing, which uses the information acquired by the vision system to close a feedback control loop. Furthermore, sliding mode control is simultaneously used in a prioritized level to satisfy the aforementioned constraints. Thus, the global control accurately places the tool in the warehouse, but satisfying the robot constraints. - Sliding mode controller for reference tracking (Chapter 5): an approach based on sliding mode control is proposed for reference tracking in robot visual servoing using industrial robot manipulators. The novelty of the proposal is the introduction of a sliding mode controller that uses a high-order discontinuous control signal, i.e., joint accelerations or joint jerks, in order to obtain a smoother behavior and ensure the robot system stability, which is demonstrated with a theoretical proof. - PWM and PFM for visual servoing in fully decoupled approaches (Chapter 6): discontinuous control based on pulse width and pulse frequency modulation is proposed for fully decoupled position based visual servoing approaches, in order to get the same convergence time for camera translation and rotation. Moreover, other results obtained in visual servoing applications are also described.Este trabajo presenta diferentes propuestas para tratar problemas habituales en el control de robots por realimentación visual, basadas en la aplicación de métodos de control discontinuos. La viabilidad y eficacia de las propuestas se fundamenta con resultados en simulación y con experimentos reales utilizando un robot manipulador industrial 6R. Las principales contribuciones son: - Invariancia geométrica utilizando control en modo deslizante (Capítulo 3): la invariancia de alto orden definida aquí es utilizada después por los métodos propuestos, para tratar problemas en control por realimentación visual. Se apuertan pruebas teóricas de la condición de invariancia. - Cumplimiento de restricciones en control por realimentación visual (Capítulo 4): esta propuesta utiliza métodos de control en modo deslizante para satisfacer restricciones mecánicas y visuales en control por realimentación visual, mientras una tarea secundaria se encarga del seguimiento del objeto. Las principales ventajas de la propuesta son: bajo coste computacional, robustez y plena utilización del espacio disponible para las restricciones. - Cambio de herramienta robusto para un robot industrial mediante control por realimentación visual (Capítulo 4): el control por realimentación visual y el método propuesto para el cumplimiento de las restricciones se aplican a una solución automatizada para el cambio de herramienta en robots industriales. La robustez de la propuesta radica en el uso del control por realimentación visual, que utiliza información del sistema de visión para cerrar el lazo de control. Además, el control en modo deslizante se utiliza simultáneamente en un nivel de prioridad superior para satisfacer las restricciones. Así pues, el control es capaz de dejar la herramienta en el intercambiador de herramientas de forma precisa, a la par que satisface las restricciones del robot. - Controlador en modo deslizante para seguimiento de referencia (Capítulo 5): se propone un enfoque basado en el control en modo deslizante para seguimiento de referencia en robots manipuladores industriales controlados por realimentación visual. La novedad de la propuesta radica en la introducción de un controlador en modo deslizante que utiliza la señal de control discontinua de alto orden, i.e. aceleraciones o jerks de las articulaciones, para obtener un comportamiento más suave y asegurar la estabilidad del sistema robótico, lo que se demuestra con una prueba teórica. - Control por realimentación visual mediante PWM y PFM en métodos completamente desacoplados (Capítulo 6): se propone un control discontinuo basado en modulación del ancho y frecuencia del pulso para métodos completamente desacoplados de control por realimentación visual basados en posición, con el objetivo de conseguir el mismo tiempo de convergencia para los movimientos de rotación y traslación de la cámara . Además, se presentan también otros resultados obtenidos en aplicaciones de control por realimentación visual.Aquest treball presenta diferents propostes per a tractar problemes habituals en el control de robots per realimentació visual, basades en l'aplicació de mètodes de control discontinus. La viabilitat i eficàcia de les propostes es fonamenta amb resultats en simulació i amb experiments reals utilitzant un robot manipulador industrial 6R. Les principals contribucions són: - Invariància geomètrica utilitzant control en mode lliscant (Capítol 3): la invariància d'alt ordre definida ací és utilitzada després pels mètodes proposats, per a tractar problemes en control per realimentació visual. S'aporten proves teòriques de la condició d'invariància. - Compliment de restriccions en control per realimentació visual (Capítol 4): aquesta proposta utilitza mètodes de control en mode lliscant per a satisfer restriccions mecàniques i visuals en control per realimentació visual, mentre una tasca secundària s'encarrega del seguiment de l'objecte. Els principals avantatges de la proposta són: baix cost computacional, robustesa i plena utilització de l'espai disponible per a les restriccions. - Canvi de ferramenta robust per a un robot industrial mitjançant control per realimentació visual (Capítol 4): el control per realimentació visual i el mètode proposat per al compliment de les restriccions s'apliquen a una solució automatitzada per al canvi de ferramenta en robots industrials. La robustesa de la proposta radica en l'ús del control per realimentació visual, que utilitza informació del sistema de visió per a tancar el llaç de control. A més, el control en mode lliscant s'utilitza simultàniament en un nivell de prioritat superior per a satisfer les restriccions. Així doncs, el control és capaç de deixar la ferramenta en l'intercanviador de ferramentes de forma precisa, a la vegada que satisfà les restriccions del robot. - Controlador en mode lliscant per a seguiment de referència (Capítol 5): es proposa un enfocament basat en el control en mode lliscant per a seguiment de referència en robots manipuladors industrials controlats per realimentació visual. La novetat de la proposta radica en la introducció d'un controlador en mode lliscant que utilitza senyal de control discontínua d'alt ordre, i.e. acceleracions o jerks de les articulacions, per a obtindre un comportament més suau i assegurar l'estabilitat del sistema robòtic, la qual cosa es demostra amb una prova teòrica. - Control per realimentació visual mitjançant PWM i PFM en mètodes completament desacoblats (Capítol 6): es proposa un control discontinu basat en modulació de l'ample i la freqüència del pols per a mètodes completament desacoblats de control per realimentació visual basats en posició, amb l'objectiu d'aconseguir el mateix temps de convergència per als moviments de rotació i translació de la càmera. A més, es presenten també altres resultats obtinguts en aplicacions de control per realimentació visual.Muñoz Benavent, P. (2017). Robot Visual Servoing Using Discontinuous Control [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90430TESI

Autonomous Visual Servo Robotic Capture of Non-cooperative Target

This doctoral research develops and validates experimentally a vision-based control scheme for the autonomous capture of a non-cooperative target by robotic manipulators for active space debris removal and on-orbit servicing. It is focused on the final capture stage by robotic manipulators after the orbital rendezvous and proximity maneuver being completed. Two challenges have been identified and investigated in this stage: the dynamic estimation of the non-cooperative target and the autonomous visual servo robotic control. First, an integrated algorithm of photogrammetry and extended Kalman filter is proposed for the dynamic estimation of the non-cooperative target because it is unknown in advance. To improve the stability and precision of the algorithm, the extended Kalman filter is enhanced by dynamically correcting the distribution of the process noise of the filter. Second, the concept of incremental kinematic control is proposed to avoid the multiple solutions in solving the inverse kinematics of robotic manipulators. The proposed target motion estimation and visual servo control algorithms are validated experimentally by a custom built visual servo manipulator-target system. Electronic hardware for the robotic manipulator and computer software for the visual servo are custom designed and developed. The experimental results demonstrate the effectiveness and advantages of the proposed vision-based robotic control for the autonomous capture of a non-cooperative target. Furthermore, a preliminary study is conducted for future extension of the robotic control with consideration of flexible joints