Physical Interaction and Control of Robotic Systems Using Hardware-in-the-Loop Simulation

Robotic systems used in industries and other complex applications need huge investment, and testing of them under robust conditions are highly challenging. Controlling and testing of such systems can be done with ease with the support of hardware-in-the-loop (HIL) simulation technique and it saves lot of time and resources. The chapter deals on the various interaction methods of robotic systems with physical environments using tactile, force, and vision sensors. It also discusses about the usage of hardware-in-the-loop technique for testing of grasp and task control algorithms in the model of robotic systems. The chapter also elaborates on usage of hardware and software platforms for implementing the control algorithms for performing physical interaction. Finally, the chapter summarizes with the case study of HIL implementation of the control algorithms in Texas Instruments (TI) C2000 microcontroller, interacting with model of Kuka’s youBot Mobile Manipulator. The mathematical model is developed using MATLAB software and the virtual animation setup of the robot is developed using the Virtual Robot Experimentation Platform (V-REP) robot simulator. By actuating the Kuka’s youBot mobile manipulator in the V-REP tool, it is observed to produce a tracking accuracy of 92% for physical interaction and object handling tasks

Inverse Dynamics Control Of A Humanoid Robot Arm

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2017Günümüzde insansı robot teknolojisi dünyada yaygın olarak çalışılmaktadır. Bu insansı robotlar tekerlekli robotların ulaşamayacağı yerlere ulaşabilmekte ve iki kolları ile karmaşık görevleri yerine getirebilmektedir. Bu özellikleri, onları arama kurtarma ve insanlarla birlikte çalışma gibi senaryolarda vazgeçilmez kılar. İnsansı robotlar ile ilgili kapsamlı deneysel çalışmalar yapılmaktadır. Çevre ile etkileşime girmek, insanlarla iş birliği ve insansı hareketler yapmak, bu çalışmaların ana hedeflerindendir. Uzuv kontrolü, robota hızlı harekete imkan sağlamak için dinamik model tabanlı bir kontrol gerektirmektedir. Kol, engeller içeren bir çevrede çalışacağı için görev uzayında ters dinamik kontrol, bu senaryo için uygun görülmüştür. Ters dinamik kontrolünde, kontrol sinyali olarak robotun karar verilmiş ivmesi kullanılır. Bu ivme, ters dinamik modeline beslenerek eklemler için gereken kuvvetler bulunur. Görev uzayında yörünge takibinde hatalar, yine kartezyen koordinat sisteminde tanımlanır. Bu sayede eyleyicideki toplam hata, eklem uzayındaki kontrole göre daha düşük olur. Ayrıca bu yöntemde uç eyleyicinin yörünge boyunca hareketi tahmin edilebilmektedir, böylece engeller içeren çevrede hareket planlaması kolaylaşır. Görev uzayında yapılan bu kontrolde ters kinematik hesaplanması için sözde ters jakobiyen kullanılmıştır. İnsansı robotlar bir çok eyleyici ve sensörden oluşur. Robotu kontrol etmek için aynı anda sensor bilgilerini değerlendirmek, hareketi planlamak ve eyleyicileri denetlemek gerekmektedir. Bu yüzden bu robotların yazılımlarında çoklu işlemler ve zamanlayıcılar kullanılır. ROS (Robot İşletim Sistemi), bahsedilen uygulamalarda kullanılabilecek kütüphane ve araçları barındıran bir açık kaynaklı işletim sistemidir. Simulasyon ve donanım arayüzünün yanında gelişmiş algoritmalar sunar. ROS üzerinde koşan bir yazılım, nod adı verilen bir çok işlemden oluşur. Her bir nod, belirli frekanslarda farklı görevleri yerine getirir ve diğer nodlarla iletişime geçer. Bu yapı programlamayı kolaylaştırır ve açık kaynak kütüphaneleri nod olarak eklenmesini sağlayarak sisteme hızlı kuruylan modüler bir yapı kazandırır. ROS, şimdiden bir çok endüstriyel ve enstitü robotunu desteklemekte ve artık robotikte bir standart olarak görülmektedir. Yazılımında C++ ve Python kullanılabilmekte ve bu iki dilde yazılan kod parçaları, aynı anda birbiriyle haberleşerek koşabilmektedir. Gazebo, dört pervaneli helikopter, manipülatör, sürü robotiği ve tam-vücut insansı robotlar gibi bir çok robotu, çeşitli sensörler ve çevresel etkileşimle birlikte simüle edebilen bir açık kaynaklı dinamik simülasyon ortamıdır. Gazebo, ROS da dahil olmak üzere çeşitli platformlarla arayüze sahiptir. İçinde çok sayıda eklenebilir obje barındırır ve SDF formatında hazırlanan bütün objeler eklenebilir. Gerekli eklenti programları kullanılarak, ROS’un desteklediği URDF formatını SDF’ye çevirerek çalıştırabilir. Henüz ROS ortamında desteklenmese de birden fazla dinamik motoru ve aktarım elemanı sunar. ITECH Kolu, İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği Otomatik Kontrol Laboratuarı’nda üretilmiş altı serbestlik dereceli bir insansı robot koludur. Robot, Maxon firmasına ait fırçasız doğru akım motorlarla tahrik edilmekte ve aktarım elemanı olarak harmonik dişliler kullanılmaktadır. Bu tezin amacı, Otomatik Kontrol laboratuarı için kapsamlı bir kinematik ve dinamik kütüphanesi yaratmak, bu kütüphanenin ROS ile kullanılabilmesi için gerekli yazılım paketlerini yasmak ve sonunda ITECH kolunun görev uzayında ters dinamik kontrolünü Gazebo simulasyon ortamında uygulamaktır. Bu tez altı bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde tezin amacı, literatür taraması ve ITECH Robot Kolu’nun koşacağı işletim sistemi, motor güç ve limitleri, aktarım elemanları gibi mekanik-yazılımsal özelliklerinden bahsedilmiştir. İkinci bölümde bir robot kolun geometrik, kinematik ve dinamik modellenmesi anlatılmıştır. Seçilen mevcut kinematik ve dinamik çözümlerin, alternatiflerine göre yapılan işlem sayısı bakımından üstünlüklerinden bahsedilmiştir. ITECH Robot Kolu’nun geometrik, kinematik ve dinamik modeli türetilmiştir. Üçüncü bölümde Robot İşletim Sistemi tanıtılmıştır. ROS’un yazılım mimarisinden ve imkanlarından bahsedilmiştir. ROS’un ve Gazebo’nun neden tercih edildiği ve ilerideki çalışmalarda, bu çalışmada hazırlanan yazılımların gerçek robotta nasıl kullanılabileceği anlatılmıştur. ITECH Kolu’nun ROS ortamına entegrasyonu ve ROS ile Gazebo dinamik simulasyon ortamının arayüzünün oluşturulma basamakları tarif edilmiştir. Dördüncü bölümde robot kollarında yörünge oluşturulmasından ve bu yörüngeye ait zamanlama fonksiyonlarından bahsedilmiştir. Robot kollarının kontrol metodları tartışılmıştır. Merkezi olmayan ve merkezi kontrol algoritmalarına değinilmiştir. Görev uzayında yörünge takibi ve ITECH Kolu’nda ters dinamik kontrol algoritmasının uygulanması anlatılmıştır. Beşinci bölümde noktadan noktaya ve çember yörüngeye ait yüklü ve yüksüz durumlarda, çeşitli kazanç ve kontrolcü frekanslarında simülasyon sonuçları verilmiştir. Kontrolcünün performansını test etmek amacıyla bu simulasyonlar 1m/s hızında yapılmıştır. Yüklü durumda robot yükten habersiz olduğu ve bu ek kütle modele dahil edilmediği için sisteme bir bozucu olarak etki etmiştir.Ayrıca örnek bir görev olarak al-yerleştir senaryosu sonuçları eklenmiştir. Simülasyon sonuçları irdelenmiştir. Altıncı ve son bölümde tez boyunca yapılan çalışmalar özetlenmiştir. İleride dinamik algoritmaların geliştirilmesi için simulasyon ortamı seçimi ve gerçek robot üzerinde yapılacak çalışmalarda kullanılabilecek haberleşme teknolojileri için tavsiyelerde bulunulmuştur. Ekler bölümünde robotun geometrik ve kütle özelliklerinin yanı sıra, bu tez için yazılan nesne tabanlı Python kütüphanesinin sınıfları ve bu sınıflara ait fonksiyonların kullanımı verilmiştir. Bu kütüphane, bütün tek zincir seri robot kollarına uygun olduğu için ITECH Kolu’nda yapılacak serbestlik derecesi, eksen değişikliği gibi mekanik değişimler, birkaç satır kod ile bu tezdeki kodu kullanarak yeni robot koluna uygulanabilir. Ayrıca, tezde sözde ters jakobiyen yöntemi ile ters kinematik kullanıldığı için, serbestlik derecesi altıdan farklı olan robot kolları da bu kütüphaneyle yaratılacak kodla kontrol edilebilir. İnsan kolu gibi serbestlik derecesi altıdan büyük robotlar için fazlalık çözünürlüğünün eklenmesi gerekmektedir.Nowadays, humanoid robot technology is studied extensively around the world. These humanoid robots can reach the places that wheeled robots cannot and can perform complicated tasks with their two arm manipulators. Experimental studies are being conducted for humanoid robots. Interacting with environment, cooperation with humans and executing human-like motions for various tasks are the key objectives of these studies. Control of the manipulators of humanoid robots require a dynamic model based control for fast movement cases. As the manipulator is supposed to move in a cluttered environment, task space control inverse dynamics control is a suitable control policy for this scenario, where the motion of the end-effector can be predicted during the execution of the desired trajectory. The humanoid robots consist of a high number of actuators and sensors. To control the robot, sensor processing, motion planning and actuator control need to be done simultaneously. Thus, the software of these robots consist of multi-processes and scheduling to handle this problem. ROS (Robot Operating System) is an open-source operating system that has software libraries and tools for such robotic applications. It offers both simulator and hardware interface, alongside state-of-art algorithms. A software that runs on ROS consists of multiple processes called ‘nodes’. Each node handles a different task, runs at a specified frequency and communicate with each other. This architecture eases the programming and enables use of open-source libraries in separate nodes in a plug-and-play way. Gazebo is an open-source dynamic simulation environment that enables the simulation of many type of robots such as full body humanoids with various sensors and environment interaction. Gazebo has interface with several platforms, including ROS and it offers several dynamic engines and number of transmissions, but not all of them are supported by ROS at the moment. ITECH Arm is a six degrees of freedom humanoid robot arm built in Mechanical Engineering Automatic Control Laboratory of İstanbul Technical University. The purpose of this thesis is creating a generic kinematics and dynamics library for the Automatic Control Laboratory, writing the software packages using this library for the ROS integration of the robot arm and finally implementing task space inverse dynamics control of ITECH Arm in Gazebo simulation environment. This thesis consists of six chapters. In the first chapter, purpose of the thesis, literature review and mechanical-software properties of ITECH Arm manipulator will be mentioned. In second chapter, kinematic and dynamic modelling of a robot manipulator is presented. The geometric, kinematic and dynamic models of ITECH Arm manipulator are derived. In chapter three, Robot Operating System is introduced. The software architecture and capabilities of ROS are mentioned. Integration steps of ITECH Arm to ROS environment and interfacing ROS and Gazebo simulation environment are described. In fourth chapter, trajectory generation for robot manipulators is mentioned. Several robot control methods are discussed. Implementation of task space trajectory tracking with inverse dynamics control algorithm on ITECH Arm is described. In chapter five, simulation results of circular trajectory for with and without payload cases using various gain sets and controller frequencies are presented. Also, as an example task, a pick and place scenario results are appended. The simulation results are discussed. In sixth and the last chapter, all the work done in the thesis is summarized and suggestions for future works are presented.Yüksek LisansM.Sc

An Ontology-Based Expert System for the Systematic Design of Humanoid Robots

Die Entwicklung humanoider Roboter ist eine zeitaufwendige, komplexe und herausfordernde Aufgabe. Daher stellt diese Thesis einen neuen, systematischen Ansatz vor, der es erlaubt, Expertenwissen zum Entwurf humanoider Roboter zu konservieren, um damit zukünftige Entwicklungen zu unterstützen. Der Ansatz kann in drei aufeinanderfolgende Schritte unterteilt werden. Im ersten Schritt wird Wissen zum Entwurf humanoider Roboter durch die Entwicklung von Roboterkomponenten und die Analyse verwandter Arbeiten gewonnen. Dieses Wissen wird im zweiten Schritt formalisiert und in Form einer ontologischen Wissensbasis gespeichert. Im letzten Schritt wird diese Wissensbasis von einem Expertensystem verwendet, um Lösungsvorschläge zum Entwurf von Roboterkomponenten auf Grundlage von Benutzeranforderungen zu generieren. Der Ansatz wird anhand von Fallstudien zu Komponenten des humanoiden Roboters ARMAR-6 evaluiert: Sensor-Aktor-Controller-Einheiten für Robotergelenke und Roboterhände

Redesigning the human-robot interface : intuitive teleoperation of anthropomorphic robots

textA novel interface for robotic teleoperation was developed to enable accurate and highly efficient teleoperation of the Industrial Reconfigurable Anthropomorphic Dual-arm (IRAD) system and other robotic systems. In order to achieve a revolutionary increase in operator productivity, the bilateral/master-slave approach must give way to shared autonomy and unilateral control; autonomy must be employed where possible, and appropriate sensory feedback only where autonomy is impossible; and today’s low-information/high feedback model must be replaced by one that emphasizes feedforward precision and minimal corrective feedback. This is emphasized for task spaces outside of the traditional anthropomorphic scale such as mobile manipulation (i.e. large task spaces) and high precision tasks (i.e. very small task spaces). The system is demonstrated using an anthropomorphically dimensioned industrial manipulator working in task spaces from one meter to less than one millimeter, in both simulation and hardware. This thesis discusses the design requirements and philosophy of this interface, provides a summary of prototype teleoperation hardware, simulation environment, test-bed hardware, and experimental results.Mechanical Engineerin

Cable-Driven Actuation for Highly Dynamic Robotic Systems

This paper presents design and experimental evaluations of an articulated robotic limb called Capler-Leg. The key element of Capler-Leg is its single-stage cable-pulley transmission combined with a high-gap radius motor. Our cable-pulley system is designed to be as light-weight as possible and to additionally serve as the primary cooling element, thus significantly increasing the power density and efficiency of the overall system. The total weight of active elements on the leg, i.e. the stators and the rotors, contribute more than 60% of the total leg weight, which is an order of magnitude higher than most existing robots. The resulting robotic leg has low inertia, high torque transparency, low manufacturing cost, no backlash, and a low number of parts. Capler-Leg system itself, serves as an experimental setup for evaluating the proposed cable- pulley design in terms of robustness and efficiency. A continuous jump experiment shows a remarkable 96.5 % recuperation rate, measured at the battery output. This means that almost all the mechanical energy output used during push-off returned back to the battery during touch-down

Becoming Human with Humanoid

Nowadays, our expectations of robots have been significantly increases. The robot, which was initially only doing simple jobs, is now expected to be smarter and more dynamic. People want a robot that resembles a human (humanoid) has and has emotional intelligence that can perform action-reaction interactions. This book consists of two sections. The first section focuses on emotional intelligence, while the second section discusses the control of robotics. The contents of the book reveal the outcomes of research conducted by scholars in robotics fields to accommodate needs of society and industry