12 research outputs found

    Contributions to shared control and coordination of single and multiple robots

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    L’ensemble des travaux présentés dans cette habilitation traite de l'interface entre un d'un opérateur humain avec un ou plusieurs robots semi-autonomes aussi connu comme le problème du « contrôle partagé ».Le premier chapitre traite de la possibilité de fournir des repères visuels / vestibulaires à un opérateur humain pour la commande à distance de robots mobiles.Le second chapitre aborde le problème, plus classique, de la mise à disposition à l’opérateur d’indices visuels ou de retour haptique pour la commande d’un ou plusieurs robots mobiles (en particulier pour les drones quadri-rotors).Le troisième chapitre se concentre sur certains des défis algorithmiques rencontrés lors de l'élaboration de techniques de coordination multi-robots.Le quatrième chapitre introduit une nouvelle conception mécanique pour un drone quadrirotor sur-actionné avec pour objectif de pouvoir, à terme, avoir 6 degrés de liberté sur une plateforme quadrirotor classique (mais sous-actionné).Enfin, le cinquième chapitre présente une cadre général pour la vision active permettant, en optimisant les mouvements de la caméra, l’optimisation en ligne des performances (en terme de vitesse de convergence et de précision finale) de processus d’estimation « basés vision »

    Compliant aerial manipulation.

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    The aerial manipulation is a research field which proposes the integration of robotic manipulators in aerial platforms, typically multirotors – widely known as “drones” – or autonomous helicopters. The development of this technology is motivated by the convenience to reduce the time, cost and risk associated to the execution of certain operations or tasks in high altitude areas or difficult access workspaces. Some illustrative application examples are the detection and insulation of leaks in pipe structures in chemical plants, repairing the corrosion in the blades of wind turbines, the maintenance of power lines, or the installation and retrieval of sensor devices in polluted areas. Although nowadays it is possible to find a wide variety of commercial multirotor platforms with payloads from a few gramps up to several kilograms, and flight times around thirty minutes, the development of an aerial manipulator is still a technological challenge due to the strong requirements relative to the design of the manipulator in terms of very low weight, low inertia, dexterity, mechanical robustness and control. The main contribution of this thesis is the design, development and experimental validation of several prototypes of lightweight (<2 kg) and compliant manipulators to be integrated in multirotor platforms, including human-size dual arm systems, compliant joint arms equipped with human-like finger modules for grasping, and long reach aerial manipulators. Since it is expected that the aerial manipulator is capable to execute inspection and maintenance tasks in a similar way a human operator would do, this thesis proposes a bioinspired design approach, trying to replicate the human arm in terms of size, kinematics, mass distribution, and compliance. This last feature is actually one of the key concepts developed and exploited in this work. Introducing a flexible element such as springs or elastomers between the servos and the links extends the capabilities of the manipulator, allowing the estimation and control of the torque/force, the detection of impacts and overloads, or the localization of obstacles by contact. It also improves safety and efficiency of the manipulator, especially during the operation on flight or in grabbing situations, where the impacts and contact forces may damage the manipulator or destabilize the aerial platform. Unlike most industrial manipulators, where force-torque control is possible at control rates above 1 kHz, the servo actuators typically employed in the development of aerial manipulators present important technological limitations: no torque feedback nor control, only position (and in some models, speed) references, low update rates (<100 Hz), and communication delays. However, these devices are still the best solution due to their high torque to weight ratio, low cost, compact design, and easy assembly and integration. In order to cope with these limitations, the compliant joint arms presented here estimate and control the wrenches from the deflection of the spring-lever transmission mechanism introduced in the joints, measured at joint level with encoders or potentiometers, or in the Cartesian space employing vision sensors. Note that in the developed prototypes, the maximum joint deflection is around 25 degrees, which corresponds to a deviation in the position of the end effector around 20 cm for a human-size arm. The capabilities and functionalities of the manipulators have been evaluated in fixed base test-bench firstly, and then in outdoor flight tests, integrating the arms in different commercial hexarotor platforms. Frequency characterization, position/force/impedance control, bimanual grasping, arm teleoperation, payload mass estimation, or contact-based obstacle localization are some of the experiments presented in this thesis that validate the developed prototypes.La manipulación aérea es un campo de investigación que propone la integración de manipuladores robóticos in plataformas aéreas, típicamente multirotores – comúnmente conocidos como “drones” – o helicópteros autónomos. El desarrollo de esta tecnología está motivada por la conveniencia de reducir el tiempo, coste y riesgo asociado a la ejecución de ciertas operaciones o tareas en áreas de gran altura o espacios de trabajo de difícil acceso. Algunos ejemplos ilustrativos de aplicaciones son la detección y aislamiento de fugas en estructura de tuberías en plantas químicas, la reparación de la corrosión en las palas de aerogeneradores, el mantenimiento de líneas eléctricas, o la instalación y recuperación de sensores en zonas contaminadas. Aunque hoy en día es posible encontrar una amplia variedad de plataformas multirotor comerciales con cargas de pago desde unos pocos gramos hasta varios kilogramos, y tiempo de vuelo entorno a treinta minutos, el desarrollo de los manipuladores aéreos es todavía un desafío tecnológico debido a los exigentes requisitos relativos al diseño del manipulador en términos de muy bajo peso, baja inercia, destreza, robustez mecánica y control. La contribución principal de esta tesis es el diseño, desarrollo y validación experimental de varios prototipos de manipuladores de bajo peso (<2 kg) con capacidad de acomodación (“compliant”) para su integración en plataformas aéreas multirotor, incluyendo sistemas bi-brazo de tamaño humano, brazos robóticos de articulaciones flexibles con dedos antropomórficos para agarre, y manipuladores aéreos de largo alcance. Puesto que se prevé que el manipulador aéreo sea capaz de ejecutar tareas de inspección y mantenimiento de forma similar a como lo haría un operador humano, esta tesis propone un enfoque de diseño bio-inspirado, tratando de replicar el brazo humano en cuanto a tamaño, cinemática, distribución de masas y flexibilidad. Esta característica es de hecho uno de los conceptos clave desarrollados y utilizados en este trabajo. Al introducir un elemento elástico como los muelles o elastómeros entre el los actuadores y los enlaces se aumenta las capacidades del manipulador, permitiendo la estimación y control de las fuerzas y pares, la detección de impactos y sobrecargas, o la localización de obstáculos por contacto. Además mejora la seguridad y eficiencia del manipulador, especialmente durante las operaciones en vuelo, donde los impactos y fuerzas de contacto pueden dañar el manipulador o desestabilizar la plataforma aérea. A diferencia de la mayoría de manipuladores industriales, donde el control de fuerzas y pares es posible a tasas por encima de 1 kHz, los servo motores típicamente utilizados en el desarrollo de manipuladores aéreos presentan importantes limitaciones tecnológicas: no hay realimentación ni control de torque, sólo admiten referencias de posición (o bien de velocidad), y presentan retrasos de comunicación. Sin embargo, estos dispositivos son todavía la mejor solución debido al alto ratio de torque a peso, por su bajo peso, diseño compacto y facilidad de ensamblado e integración. Para suplir estas limitaciones, los brazos robóticos flexibles presentados aquí permiten estimar y controlar las fuerzas a partir de la deflexión del mecanismo de muelle-palanca introducido en las articulaciones, medida a nivel articular mediante potenciómetros o codificadores, o en espacio Cartesiano mediante sensores de visión. Tómese como referencia que en los prototipos desarrollados la máxima deflexión articular es de unos 25 grados, lo que corresponde a una desviación de posición en torno a 20 cm en el efector final para un brazo de tamaño humano. Las capacidades y funcionalidades de estos manipuladores se han evaluado en base fija primero, y luego en vuelos en exteriores, integrando los brazos en diferentes plataformas hexartor comerciales. Caracterización frecuencial, control de posición/fuerza/impedancia, agarre bimanual, teleoperación de brazos, estimación de carga, o la localización de obstáculos mediante contacto son algunos de los experimentos presentados en esta tesis para validar los prototipos desarrollados por el auto

    Aerial Vehicles

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    This book contains 35 chapters written by experts in developing techniques for making aerial vehicles more intelligent, more reliable, more flexible in use, and safer in operation.It will also serve as an inspiration for further improvement of the design and application of aeral vehicles. The advanced techniques and research described here may also be applicable to other high-tech areas such as robotics, avionics, vetronics, and space

    Non-Contact Evaluation Methods for Infrastructure Condition Assessment

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    The United States infrastructure, e.g. roads and bridges, are in a critical condition. Inspection, monitoring, and maintenance of these infrastructure in the traditional manner can be expensive, dangerous, time-consuming, and tied to human judgment (the inspector). Non-contact methods can help overcoming these challenges. In this dissertation two aspects of non-contact methods are explored: inspections using unmanned aerial systems (UASs), and conditions assessment using image processing and machine learning techniques. This presents a set of investigations to determine a guideline for remote autonomous bridge inspections

    Proceedings of the International Micro Air Vehicles Conference and Flight Competition 2017 (IMAV 2017)

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    The IMAV 2017 conference has been held at ISAE-SUPAERO, Toulouse, France from Sept. 18 to Sept. 21, 2017. More than 250 participants coming from 30 different countries worldwide have presented their latest research activities in the field of drones. 38 papers have been presented during the conference including various topics such as Aerodynamics, Aeroacoustics, Propulsion, Autopilots, Sensors, Communication systems, Mission planning techniques, Artificial Intelligence, Human-machine cooperation as applied to drones

    System Architectures for Cooperative Teams of Unmanned Aerial Vehicles Interacting Physically with the Environment

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    Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have become quite a useful tool for a wide range of applications, from inspection & maintenance to search & rescue, among others. The capabilities of a single UAV can be extended or complemented by the deployment of more UAVs, so multi-UAV cooperative teams are becoming a trend. In that case, as di erent autopilots, heterogeneous platforms, and application-dependent software components have to be integrated, multi-UAV system architectures that are fexible and can adapt to the team's needs are required. In this thesis, we develop system architectures for cooperative teams of UAVs, paying special attention to applications that require physical interaction with the environment, which is typically unstructured. First, we implement some layers to abstract the high-level components from the hardware speci cs. Then we propose increasingly advanced architectures, from a single-UAV hierarchical navigation architecture to an architecture for a cooperative team of heterogeneous UAVs. All this work has been thoroughly tested in both simulation and eld experiments in di erent challenging scenarios through research projects and robotics competitions. Most of the applications required physical interaction with the environment, mainly in unstructured outdoors scenarios. All the know-how and lessons learned throughout the process are shared in this thesis, and all relevant code is publicly available.Los vehículos aéreos no tripulados (UAVs, del inglés Unmanned Aerial Vehicles) se han convertido en herramientas muy valiosas para un amplio espectro de aplicaciones, como inspección y mantenimiento, u operaciones de rescate, entre otras. Las capacidades de un único UAV pueden verse extendidas o complementadas al utilizar varios de estos vehículos simultáneamente, por lo que la tendencia actual es el uso de equipos cooperativos con múltiples UAVs. Para ello, es fundamental la integración de diferentes autopilotos, plataformas heterogéneas, y componentes software -que dependen de la aplicación-, por lo que se requieren arquitecturas multi-UAV que sean flexibles y adaptables a las necesidades del equipo. En esta tesis, se desarrollan arquitecturas para equipos cooperativos de UAVs, prestando una especial atención a aplicaciones que requieran de interacción física con el entorno, cuya naturaleza es típicamente no estructurada. Primero se proponen capas para abstraer a los componentes de alto nivel de las particularidades del hardware. Luego se desarrollan arquitecturas cada vez más avanzadas, desde una arquitectura de navegación para un único UAV, hasta una para un equipo cooperativo de UAVs heterogéneos. Todo el trabajo ha sido minuciosamente probado, tanto en simulación como en experimentos reales, en diferentes y complejos escenarios motivados por proyectos de investigación y competiciones de robótica. En la mayoría de las aplicaciones se requería de interacción física con el entorno, que es normalmente un escenario en exteriores no estructurado. A lo largo de la tesis, se comparten todo el conocimiento adquirido y las lecciones aprendidas en el proceso, y el código relevante está publicado como open-source

    Swarm Robotics

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    Collectively working robot teams can solve a problem more efficiently than a single robot, while also providing robustness and flexibility to the group. Swarm robotics model is a key component of a cooperative algorithm that controls the behaviors and interactions of all individuals. The robots in the swarm should have some basic functions, such as sensing, communicating, and monitoring, and satisfy the following properties

    A new hybrid approach for the visual servoing of VTOL UAVs from unknown geometries

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