Modelling and control of a robotic manipulator subject to base disturbances

This thesis presents the modelling and control of a high gear ratio robotic manipulator mounted on a heavier moving base which is subject to base disturbances. The manipulator motion is assumed not to affect the base motion. The problem of a robotic manipulator on a non-inertial base can be applied to operation on sea vessels or all-terrain vehicles, where the base motion is unknown and cannot be used as a feed-forward signal to the model. A dynamic model is derived for the PA10-6CE manipulator with the assumption of a fixed base and the model terms are analysed numerically when comparing the simulation and experimental results. Based on the obtained results a set of model based controllers is compared to a basic proportional and derivative type controller to evaluate the trajectory tracking gains and trade-offs. The dynamic model is extended to the case of a manipulator on a moving base and numerical comparisons of simulation and experimental results are used to verify the model validity and the significance of the various model terms. From the results of this study a set of model based controllers is obtained. A novel adaptive scheme is then proposed for compensation of an unknown and varying gravity acceleration vector acting on the manipulator base. Controllers based on using an additional sensor output are compared with static and adaptive gravity controllers and the latter proved to be superior in terms of trajectory tracking performance

Experiments in Nonlinear Adaptive Control of Multi-Manipulator, Free-Flying Space Robots

Sophisticated robots can greatly enhance the role of humans in space by relieving astronauts of low level, tedious assembly and maintenance chores and allowing them to concentrate on higher level tasks. Robots and astronauts can work together efficiently, as a team; but the robot must be capable of accomplishing complex operations and yet be easy to use. Multiple cooperating manipulators are essential to dexterity and can broaden greatly the types of activities the robot can achieve; adding adaptive control can ease greatly robot usage by allowing the robot to change its own controller actions, without human intervention, in response to changes in its environment. Previous work in the Aerospace Robotics Laboratory (ARL) have shown the usefulness of a space robot with cooperating manipulators. The research presented in this dissertation extends that work by adding adaptive control. To help achieve this high level of robot sophistication, this research made several advances to the field of nonlinear adaptive control of robotic systems. A nonlinear adaptive control algorithm developed originally for control of robots, but requiring joint positions as inputs, was extended here to handle the much more general case of manipulator endpoint-position commands. A new system modelling technique, called system concatenation was developed to simplify the generation of a system model for complicated systems, such as a free-flying multiple-manipulator robot system. Finally, the task-space concept was introduced wherein the operator's inputs specify only the robot's task. The robot's subsequent autonomous performance of each task still involves, of course, endpoint positions and joint configurations as subsets. The combination of these developments resulted in a new adaptive control framework that is capable of continuously providing full adaptation capability to the complex space-robot system in all modes of operation. The new adaptive control algorithm easily handles free-flying systems with multiple, interacting manipulators, and extends naturally to even larger systems. The new adaptive controller was experimentally demonstrated on an ideal testbed in the ARL-A first-ever experimental model of a multi-manipulator, free-flying space robot that is capable of capturing and manipulating free-floating objects without requiring human assistance. A graphical user interface enhanced the robot usability: it enabled an operator situated at a remote location to issue high-level task description commands to the robot, and to monitor robot activities as it then carried out each assignment autonomously

Commande des systèmes robotiques avec contraintes holonomes

Systèmes mécaniques avec contraintes holonomes -- Commande par linéarisation exacte -- Stabilisation robuste de la commande linéarisante et découplante -- Commande à structure variable adaptative -- Commande robuste par retour d'état continu

O controle adaptativo de robos manipuladores no espaço da tarefa

Dissertação (mestrado) - Universidade de Santa Catarina, Centro Tecnologico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2010O controle adaptativo de robôs manipuladores é uma das soluções para o problema de controle em que o processo tem incerteza nos parâmetros. Com base neste fato, este trabalho aborda os métodos de controle para o seguimento de trajetórias diretamente no espaço da tarefa. A partir dos métodos de controle adaptativo direto no espaço de juntas, baseados na dinâmica inversa (Método de Craig) e na passividade (Método de Slotine e Li), faz-se a extensão para o espaço da tarefa. Para os espaços de juntas e da tarefa, a estabilidade e a análise de convergência dos métodos de controle é realizada pelo método direto de Lyapunov. O controle cinemático e o controle direto no espaço da tarefa são implementados em simulações realizadas no SIMNON, considerando-se dois elos de um robô manipulador Puma 560

Modelagem, identificação de parâmetros e implementação de sistema de controle por torque calculado em um manipulador plataforma de Stewart hidráulico

O Manipulador Plataforma de Stewart é um tipo de manipulador paralelo composto por 6 atuadores prismáticos. Estes atuadores ligam a base do manipulador a uma plataforma que se move com 6 graus de liberdade em relação à base. A expansão ou retração de cada um dos atuadores influencia na posição da plataforma móvel. Usualmente utilizada em simuladores de movimento, uma Plataforma de Stewart é utilizada neste trabalho para simular movimentos de uma embarcação em alto mar. O objetivo principal deste trabalho é implementar um sistema de controle por Torque Calculado que possibilite que o manipulador execute um seguimento de trajetória com precisão, simulando os movimentos de um convés de uma embarcação em alto mar. Para que isso seja possível, é descrito o desenvolvimento do modelo matemático do manipulador utilizado na síntese do controlador, incluindo cinemática inversa, cinemática direta e dinâmica. Também é apresentado o desenvolvimento do modelo matemático do sistema hidráulico do manipulador, assim como a identificação experimental dos coeficientes de vazão das válvulas. Ao final, são apresentadas simulações e experimentos realizados utilizando controladores PI (Proporcional-Integral) e por Torque Calculado. Através destes procedimentos, são apresentadas uma validação do modelo matemático desenvolvido e um estudo sobre o desempenho dos controladores aplicados ao problema de seguimento de trajetórias típicas de convés de embarcações.The Stewart Platform Manipulator is a type of parallel manipulator composed of 6 prismatic actuators. These actuators connect the base of the manipulator to a platform that moves with 6 degrees of freedom in relation to the base. The expansion or retraction of each of the actuators influences on the position of the mobile platform. Usually used in motion simulators, a Stewart Platform will be used in this work to simulate the movements of a vessel on the high seas. The main objective of this work is to implement a Computed Torque controller that allows the manipulator to accurately follow a trajectory, simulating the movements of a vessel's deck on an offshore operation. To make this possible, the development of the mathematical model of the manipulator used in the controller synthesis will be described, including inverse kinematics, direct kinematics and dynamics. The development of the mathematical model of the hydraulic system of the manipulator will be presented, as well as the experimental identification of the flow coefficients of the valves. At the end, simulations and experiments performed using PI (Proportional-Integral) and Computed Torque controllers will be shown. Through these procedures, a validation of the mathematical model developed and a study on the performance of the controllers applied to the problem of tracking typical trajectories of vessel decks will be presented

Commande non linéaire hybride force/position pour les systèmes robotiques avec contraintes holonomiques

Cette thèse qui présente une étude générale effectuée sur un robot expérimental, concerne spécifiquement la modélisation et la commande non linéaire basée sur la technique "strict-feedback du backstepping" (SFB) en force et en position, en y introduisant les notions des systèmes passifs. La contribution apportée est relative au développement des lois de commandes passives et adaptatives pour la commande en force et en position. Ces lois de commande ainsi conçues ont l'avantage d'être compatibles aux systèmes robotiques avec des contraintes holonomiques. La modélisation cinématique et la modélisation dynamique, ainsi que des simulations réalisées dans un plan, ont été effectuées à partir des données du robot expérimental. L'architecture de ce robot se caractérise par l'axe 1 qui est prismatique, n axes rotatifs pouvant avoir une structure redondante, et à l'extrémité, deux axes rotatifs (n+1 et n+2) matérialisant le tangage et le roulis. La modélisation cinématique a été réalisée en appliquant la théorie des paramètres de Danevit-Hartenberg (DH), tandis que le modèle dynamique a été l'application des équations de Lagrange. Les matrices des interties, des forces de Coriolis et le vecteur des termes de gravité, issus du modèle dynamique dans l'espace articulaire, ont ensuite été convertis dans le domaine cartésien, puis dans l'espace de la tâche, asortis d'un découplage en force et en position. Nous sommes assurés au préalable que la matrice M des inerties est symétrique et définie positive en rapport avec la matrice C des forces de Coriolis. Aussi, une contrainte en vitesse dans la direction z d'un système d'axes orthonormé, fixe par rapport à l'effecteur et perpendiculaire à la surface de contact, pour une architecture de quatre axes a été imposée au modèle dynamique. Pour atteindre l'objectif qui est celui d'obtenir une stabilité asymptotique globale du système, l'option de la conception de deux lois de commande non linéaires adaptatives hybrides par la technique SFB a été retenue. Un des avantages de ces conceptions et l'élaboration de leur algorithme de commande est celui d'imposer des propriétés de stabilité désirées en fixant ou en calculant respectivement des fonctions: mémoire, de sortie et stabilisatrice, à chaque étape récursive du système en cascade. À cette technique du SFB, nous considérons entre autre la théorie des systèmes passifs. La conception de ces deux lois de commande adaptatives correspond à trois méthodes distinctes pour l'adaptation des paramètres. Nous mettons en place par ce biais deux lois de commande ayant une flexibilité et qui regroupent en leur sein plusieurs propriétés que possèdent les lois de commande existantes. Les forces et les trajectoires désirées correspondent de toute évidence aux forces et aux trajectoires assignées avec des erreurs de poursuite acceptables, aussi bien pour le suivi des forces que pour celui des positions. Toute la méthodologie utilisée et tous les algorithmes de commande asssortis des résultats de simulation vous sont présentés dans cette thèse doctorale

Commande des robots destinés à interagir physiquement avec l'humain

Amener les robots à partager le même environnement que les humains apparaît l'évolution naturelle vers une robotique plus avancée, à mi-chemin entre la robotique industrielle d'aujourd'hui et les robots humanoïdes versatiles de demain. Cette éventuelle coexistence a le potentiel immense de produire un impact considérable sur plusieurs domaines liés à la vie de tous les jours tels que 1) la réhabilitation, où des thérapeutes et des robots pourront collaborer et offrir du soutien aux patients, 2) les dispositifs d'assistance robotique envers les personnes âgées ou handicapées, pour faciliter les tâches quotidiennes et 3) la chirurgie assistée. Outre ces trois domaines d'application, il est fort possible que l'impact le plus significatif de l'implantation d'un tel concept se fera au niveau du domaine manufacturier. Dans ce domaine, une synergie efficace entre l'humain et le robot peut être envisagée en combinant les formidables capacités humaines de raisonnement et d'adaptation face aux environnements non structurés avec l'inépuisable force d'un robot. Toutefois, la création d'une telle génération de robots coopératifs présente plusieurs défis, tant sur les plans mécaniques et sensoriels qu'au niveau de la commande. Cette thèse amène des réponses concrètes au défi que constitue la commande des robots destinés à interagir et coopérer avec les humains, proposant des solutions aux problèmes des mouvements coopératifs ou encore à la réaction aux collisions. Elle présente notamment une nouvelle méthode de commande basée sur l'analyse des intentions humaines en temps réel, permettant la production de mouvements coopératifs beaucoup plus intuitifs pour l'humain. Elle s'attaque aussi au problème de la stabilité du contrôleur, reconnu comme une difficulté inhérente aux robots évoluant en mouvement contraint. En effet, étant données les propriétés physiques variables de l'humain, telle la rigidité de ses bras, il est possible qu'un robot devienne instable subitement lorsque mis en contact direct avec celui-ci, engendrant ainsi d'évidents problèmes de sécurité. Au-delà des algorithmes de commande de haut niveau, cette thèse aborde de nouvelles techniques d'asservissement qui sont mieux adaptées à la mécanique particulière de ces robots. En effet, dans le but de coexister avec les humains sans risquer de les blesser, il est entendu que ces robots devront être conçus différemment, de manière à réduire leur impédance mécanique et leur capacité de transmettre de la puissance en cas de collision. Dans de telles circonstances, les régulateurs linéaires conventionnels seront bien peu efficaces dans le suivi des consignes demandées. La méthode introduite est une adaptation de la commande prédictive, bien connue dans l'industrie chimique, à la commande des manipulateurs