Passive Compliance Control of Aerial Manipulators

This paper presents a passive compliance control for aerial manipulators to achieve stable environmental interactions. The main challenge is the absence of actuation along body-planar directions of the aerial vehicle which might be required during the interaction to preserve passivity. The controller proposed in this paper guarantees passivity of the manipulator through a proper choice of end-effector coordinates, and that of vehicle fuselage is guaranteed by exploiting time domain passivity technique. Simulation studies validate the proposed approach.Comment: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) 201

Dynamic simulation of task constrained of a rigid-flexible manipulator

A rigid-flexible manipulator may be assigned tasks in a moving environment where the winds or vibrations affect the position and/or orientation of surface of operation. Consequently, losses of the contact and perhaps degradation of the performance may occur as references are changed. When the environment is moving, knowledge of the angle α between the contact surface and the horizontal is required at every instant. In this paper, different profiles for the time varying angle α are proposed to investigate the effect of this change into the contact force and the joint torques of a rigid-flexible manipulator. The coefficients of the equation of the proposed rotating surface are changing with time to determine the new X and Y coordinates of the moving surface as the surface rotates

Aerial Tele-Manipulation with Passive Tool via Parallel Position/Force Control

This paper addresses the problem of unilateral contact interaction by an under-actuated quadrotor UAV equipped with a passive tool in a bilateral teleoperation scheme. To solve the challenging control problem of force regulation in contact interaction while maintaining flight stability and keeping the contact, we use a parallel position/force control method, commensurate to the system dynamics and constraints in which using the compliant structure of the end-effector the rotational degrees of freedom are also utilized to attain a broader range of feasible forces. In a bilateral teleoperation framework, the proposed control method regulates the aerial manipulator position in free flight and the applied force in contact interaction. On the master side, the human operator is provided with force haptic feedback to enhance his/her situational awareness. The validity of the theory and efficacy of the solution are shown by experimental results. This control architecture, integrated with a suitable perception/localization pipeline, could be used to perform outdoor aerial teleoperation tasks in hazardous and/or remote sites of interest

Force Control Of Stäubli Rx-160 Manipulator

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Günümüzde robotlar pek çok işte insanların yerini almaya başlamıştır. Her gün gelişen robot teknolojisi, robotların iş yapma hızını ve iş kalitesini artırmaktadır. Robotlar kullanıldıkları alanların vazgeçilmez unsuru olmaktadır. Bugün robotlar, cerrahi operasyonlarda ve uzay araçlarında kullanılabilmektedir. Robotlar arasında manipülatörler, endüstriyel uygulamalarda sıklıkla karşımıza çıkmaktadır. Endüstride üretim hızının ve kalitesinin sürekli artması istendiği için, gelecekte daha fazla robotun üretim sahasında kullanılacağını söyleyebiliriz. Endüstriyel manipülatörler, çoğunlukla üretim hattında parça taşıma, paketleme, kaynak ve boya yapma işlerinde kullanılmaktadır. Dikkat edilecek olursa, bu uygulamalarda çevre ile temas çok az veya hiç yoktur. Robot, izlediği yol boyunca herhangi bir engelle karşılaşmaz. Diğer bir deyişle, bu uygulamalarda asıl amaç çevre ile etkileşim değil, serbest uzayda planlanmış bir hareketi gerçekleştirmektir. Endüstriyel manipülatörler çevre ile etkileşim gerektiren uygulamalarda da kullanılabilmektedir. Montaj, çapak alma, taşlama ve cilalama bu uygulamalardandır. Bu tip uygulamalarda klasik konum kontrolü yetersiz kalmaktadır. Klasik konum kontrol yöntemleriyle istenen kalitede iş yapmak için, iş parçasının konumunun son derece hassas olması, manipulatörün ve çevrenin de çok iyi modellenmiş olması gerekmektedir. Bu şartları sağlamak her zaman mümkün olmayabilir. Çevre ve manipulatörün sertliğinin yüksek olduğunu düşünürsek, bu şartların sağlanamaması durumunda, konumda ufak bir hatanın oluşması, çok büyük temas kuvvetlerinin ortaya çıkmasına sebep olmaktadır. Bu da iş parçasına veya manipülatöre zarar verebilir. Eğer çevre ile etkileşim söz konusuysa, “uyumlu hareket kontrolü” veya “kuvvet kontrolü” bize daha iyi sonuç verecektir. Bu kontrol yönteminde, serbest konum kontrol yönteminden farklı olarak, çevre ile olan temas sonucunda oluşan kuvvetler dikkate alınır, bu kuvvetler doğrudan veya dolaylı yoldan işleme sokulur ve uygun kontrol sinyalleri üretilir. Kuvvet kontrolü, robotik sistemlerin bilinmeyen bir çevrede öngörülemeyen durumlarda çalışabilmesi ve esnek bir davranış sergilemesinde ve akıllı tepkiler vermesinde önemli bir rol oynamakta ve insan-robot etkileşimine katkıda bulunmaktadır. Yukarıda anlatılan çevre ile uyumlu davranış iki şekilde elde edilebilir: pasif etkileşim kontrolü ve aktif etkileşim kontrolü. Pasif etkileşim kontrolünde, temas kuvvetleri, robotun yapısal esnekliğiyle, servo motorların esnekliğiyle veya robotun ucuna monte edilmiş özel bir uç işlevciyle kontrol altında tutulmaya çalışılır. Endüstriyel uygulamalarda genellikle üçüncü yöntem kullanılır. Bu metot basit ve ucuz olmakla birlikte, robotun çevreyle temasından doğan hatalara karşı tepkisi de (programlanmış bir kontrol algoritmasından farklı olarak) hızlıdır. Fakat saydığımız avantajlarına rağmen bu yöntem, farklı endüstriyel uygulamalara karşı esnekliğe sahip değildir. Her uygulama için özel olarak bir uç işlevci tasarlanması gerekmektedir. Aktif etkileşim kontrolünde, manipulatörün çevre ile uyumu özel olarak tasarlanmış bir kontrol sistemi sayesinde sağlanmaya çalışılır. Bu kontrol yöntemlerinde genellikle robotun bileğine monte edilmiş bir kuvvet sensörünün ölçtüğü temas kuvvetleri geri besleme ile işleme sokulur. Bu tezde kullanılan kuvvet sensörü, iş uzayında altı kuvvet bileşenini (üç kuvvet, üç moment) ölçebilmektedir. Bu tezde aktif etkileşim kontrolü ele alınmıştır. Aktif etkileşim kontrolü ayrıca kendi içerisinde iki kategoriye ayrılabilir: dolaylı kuvvet kontrolü ve doğrudan kuvvet kontrolü. Dolaylı kuvvet kontrolünde, temas kuvvetleri, modifiye edilmiş bir hareket kontrol metoduyla kontrol edilir. Doğrudan kuvvet kontrolünde ise kullanıcı, manipülatöre istenen temas kuvvetlerini besler ve manipulatör de bu referans değerlerini izlemeye çalışır. İlk kategorideki kontrol yöntemleri için empedans kontrolü örnek olarak verilebilir. Bu yöntemde, manipulatörün hareketi sırasında çevre ile etkileşim sebebiyle ortaya çıkan konum hataları, temas kuvvetleriyle ilişkilendirilir. Bu ilişki ise mekanik empedans olarak tanımlanır. Bu kontrol yönteminde, manipulatör çevre ile etkileşimi sırasında istenen mekanik davranışı göstermeye zorlanır. İkinci kategoriye örnek olarak hibrid kuvvet/konum kontrolü verilebilir. Bu kontrol yönteminde iş uzayı, iki alt uzaya ayrılır. Bu alt uzaylardan birine konum kontrolü uygulanırken diğerine kuvvet kontrolü uygulanır. Aynı alt uzaya hem konum, hem de kuvvet kontrolü uygulanamaz. Kuvvet kontrolü uygulanan uzayda, doğrudan istenen temas kuvvetleri üretilir ve bunların takip edilmesi için gerekli kontrol sinyalleri üretilir. Konum kontrolünden ve kuvvet kontrolünden üretilen kontrol sinyalleri eklem torklarına (veya kuvvetlerine) dönüştürüldükten sonra bu değerler toplanır ve manipülatöre gönderilir. Bu tezde, İstanbul Teknik Üniversitesi Mekatronik Eğitim ve Araştırma Merkezi bünyesindeki Stäubli RX-160 endüstriyel manipulatörünün üzerinde farklı kuvvet kontrol algoritmaları uygulanması amaçlanmaktadır. Stäubli RX-160 endüstriyel robotik manipulatör, boya yapmak veya iş parçalarını üretim hattında bir noktadan diğerine taşımak amacıyla tasarlanmıştır. Robot orta boyutta olup, nominal hızlarda 20 kg yük taşıyabilmektedir. Stäubli firmasının sağlamış olduğu LLI programlama arayüzü sayesinde, manipulatör üzerinde, literatürde önerilen kontrol algoritmaları, manipulatör kontrolcüsüne gömülüp test edilebilmektedir. LLI, kullanıcıya manipülatörü her yönüyle ele alıp kontrol edebilmesini sağlamaktadır. Bu da akademik çalışmalar için bize avantaj sağlamaktadır. Literatürde gösterilen kontrol şemaları, robot üzerinde denenebilmekte ve bu şemaların performansları ölçülebilmektedir. LLI aynı zamanda birtakım güvenlik fonksiyonları da içermektedir. Bu da, bir ölçüye kadar, robot üzerinde yapılan denemelerde meydana gelen hataların robota veya çevreye zarara vermesini önlemektedir. Bu tez beş ana bölümden oluşup, ilk bölümde tezin amacına, Stäubli RX-160 manipulatörün başlıca teknik özelliklerine ve manipulatörün donanım ve yazılımına değinilmiştir. İkinci bölümde, manipulatörün kinematik ve dinamik modelleri çıkarılıp, manipulatörün bilinmeyen parametrelerinin tanınmasından bahsedilmektedir. Bu modeller kontrol için gerekmektedir. Dinamik modelin çıkarılması için gereken kütle parametreleri, Stäubli tarafından sağlanmıştır. Geçmişte bu robot üzerinde yapılmış tanımlama çalışmasından elde edilen sürtünme ve yay modeli bu tezde doğrudan kullanılmıştır. Üçüncü bölümde, ilk olarak yörünge planlamasından bahsedilmiştir. Yörünge planlaması robotun izlemesi gereken yolun zamana bağlı denklemini verir. Bu bölümde daha sonra, hareket kontrol şeması gösterilmiştir. Ardından, kuvvet kontrol şemaları gösterilmiş ve bunların benzetim ortamında elde edilen sonuçları verilmiştir. Benzetim sonuçları, kontrol şemalarının gerçek zamanlı uygulanmasından önce robotun hareketi ve eklemlere uygulanması gereken kuvvetler hakkında ipuçları vermiştir. Fakat benzetim sonuçları ile gerçek zamanlı uygulama sonuçları arasında bir karşılaştırma yapılması amaçlanmamıştır. Bunun nedeni, ileri dinamik robot modeli ve kontrol şemasında kullanılan ters dinamik robot modelinin benzetimlerde birebir aynı olmasıdır. Bu da, robotun mükemmel bir şekilde modellendiğini ileri sürer ki böyle bir varsayım gerçekçi değildir. Dördüncü bölümde, ilk olarak deney ortamından bahsedilmiş, deneyler sırasında ortaya çıkan sorunlara değinilmiştir. Daha sonra, bir önceki bölümde bahsedilen kontrol şemaları, gerçek zamanlı olarak robota uygulanmış ve elde edilen sonuçlar gösterilmiştir. Beşinci ve son bölümde, yapılan çalışmalar özetlenip gelecekte yapılabilecek çalışmalar için öneriler sunulmuştur.Today, humans are started to be replaced by robots in many areas. Work speed and quality of robots are increasing day by day with the developing robot technologies. Robots are becoming irreplaceable components of industrial applications. With recent developments, robots can perform surgical operations and be used in space vehicles. Industrial manipulators are mostly used in applications like packing, welding, material handling and painting on a production line. While performing these tasks, manipulators have very limited interaction with the environment or none at all. The main purpose of these tasks is to follow a path in free space. Manipulators can also be used in tasks where interaction is desired. Assembling, deburring, grinding and polishing are among these tasks. However, classical motion control methods are insufficient for these tasks. The position of the manipulator and the workpiece must be known with a high precision and the environment must be modeled accurately in order to execute these tasks with pure motion control. These conditions cannot always be satisfied. If we assume a rigid manipulator and environment, a small error can cause an increase to contact forces to a point where the workpiece or the manipulator can be damaged. For this reason, we need some degree of “compliance” between the manipulator and the environment. “Compliant motion control” or “force control” can give us a better solution in cases where interaction with the environment is present. Contact forces are controlled directly or indirectly by generating proper control signals. In this thesis, two widely known force control strategies are considered: impedance control and hybrid force/position control. Impedance control can be classified as an indirect force control where errors in the motion are related with contact forces. This relation, known as mechanical impedance, has an advantage that its parameters can be adjusted to ensure a desired behavior of interaction. On the other hand, hybrid force/position control, which is classified as a direct force control, requires desired values of contact forces. In return, the controller calculates the error between the desired and feedback forces and generates a proper control signal to follow desired force trajectory. For both of the control strategies mentioned above, contact force measurements from a force/torque sensor are used. These sensor data are certainly required for hybrid force/position control. However, for impedance control, there are control schemes where force feedback is not required. The purpose of this thesis is applying different force control algorithms on Stäubli RX-160 industrial type manipulator that resides in Istanbul Technical University Mechatronics Education and Research Center. By using LLI (Low Level Interface) provided by Stäubli, control algorithms that are reported in literature can be embedded to manipulator controller and tested. LLI enables us to control all aspects to control an industrial type manipulator where we can use our own kinematic and dynamic models. This thesis consists of five chapters. In the first chapter, the purpose of thesis, technical properties of RX-160, hardware and software that are used in this study will be mentioned. In second chapter, kinematic and dynamic model of RX-160 are derived and unknown parameters are mentioned. In order to derive dynamic model of the robot, mass properties must be known. These parameters are provided by Stäubli. The spring model and friction parameters are identified in a past work and they are used directly in this thesis. In chapter three, some control methods are introduced and simulation results are shown. Trajectory planning is also mentioned in this chapter. In fourth chapter, the control methods mentioned in the previous chapter will be applied to the manipulator in real-time. The data collected from sensors are analyzed and commented. In fifth and the last chapter, all the work done throughout the thesis is summarized and suggestions are made for future works.Yüksek LisansM.Sc

불확실성을 포함하는 조립작업을 위한 컴플라이언스 기반 펙인홀 전략

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 융합과학기술대학원 융합과학부(지능형융합시스템전공), 2020. 8. 박재흥.The peg-in-hole assembly is a representative robotic task that involves physical contact with the external environment. The strategies generally involve performing the assembly task by estimating the contact state between the peg and the hole. The contact forces and moments, measured using force sensors, are primarily used to estimate the contact state. In this paper, in contrast to past research in the area, which has involved the utilization of such expensive devices as force/torque sensors or remote compliance mechanisms, an inexpensive method is proposed for peg-in-hole assembly without force feedback or passive compliance mechanisms. The method consists of an analysis of the state of contact between the peg and the hole as well as a strategy to overcome the inevitable positional uncertainty of the hole incurred in the recognition process. A control scheme was developed to yield compliant behavior from the robot with physical contact under the condition of hybrid position/force control. Proposed peg-in-hole strategy is based on compliance characteristics and generating the force and moment. The peg is inserted into the hole as it adapts to the external environment. The effectiveness of the proposed method was experimentally verified using a humanoid upper body robot with fifty degrees of freedom and a peg-in-hole apparatus with a small clearance (0.1 mm). Three cases of experiments were conducted; Assembling the peg attached to the arm in the hole fixed in the external environment, grasping a peg with an anthropomorphic hand and assembling it into a fixed hole, and grasping both peg and hole with both hands and assembling each other. In order to assemble the peg-in-hole through the proposed strategy by the humanoid upper body robot, I present a method of gripping an object, estimating the kinematics of the gripped object, and manipulating the gripped object. In addition to the cost aspect, which is the fundamental motivation for the proposed strategy, the experimental results show that the proposed strategy has advantages such as fast assembly time and high success rate, but has the disadvantage of unpredictable elapsed time. The reason for having a high variance value for the success time is that the spiral trajectory, which is most commonly used, is used. In this study, I analyze the efficiency of spiral force trajectory and propose an improved force trajectory. The proposed force trajectory reduces the distribution of elapsed time by eliminating the uncertainty in the time required to find a hole. The efficiency of the force trajectory is analyzed numerically, verified through repeated simulations, and verified by the actual experiment with humanoid upper body robot developed by Korea institute of industrial technology.펙인홀 조립은 로봇의 접촉 작업을 대표하는 작업으로, 펙인홀 조립 전략을 연구함으로써 산업 생산 분야의 조립작업에 적용할 수 있다. 펙인홀 조립작업은 일반적으로 펙과 홀 간의 접촉상태를 추정함으로써 이루어진다. 접촉상태를 추정하기 위해 가장 널리 쓰이는 방법은 힘 센서를 사용하는 것인데, 접촉 힘과 모멘트를 측정하여 접촉상태를 추정하는 방식이다. 만약 이러한 센서를 사용하지 않을 수 있다면, 하드웨어 비용과 소프트웨어 연산량 감소 등의 장점이 있음은 자명하다. 본 논문에서는 힘 센서 혹은 수동 컴플라이언스 장치를 사용하지 않는 펙인홀 전략을 제안한다. 홀에 대한 인식 오차 혹은 로봇의 제어 오차를 극복하기 위하여 먼저 펙과 홀의 접촉 가능 상태를 분석하고 로봇의 컴플라이언스 모션을 위한 제어 프레임워크를 디자인한다. 전략은 컴플라이언스 특징에 기반하며 펙에 힘과 모멘트를 생성시킴으로써 조립작업을 수행한다. 펙은 외부환경에 순응함으로써 홀에 삽입된다. 제안한 전략은 낮은 공차를 갖는 펙인홀 실험을 통해서 그 유효성이 검증된다. 펙과 홀을 로봇팔과 외부환경에 각각 고정된 환경에서의 실험, 인간형 로봇핸드를 이용하여 펙을 잡아서 고정된 홀에 삽입하는 실험, 그리고 테이블에 놓인 펙과 홀을 각각 로봇핸드로 파지하여 조립하는 총 세 가지의 실험을 수행하였다. 핸드로 펙을 파지하고 조작하기 위하여, 파지 방법과 핸드를 이용한 물체 조작 알고리즘을 간략히 소개하였다. 제안한 전략의 성능을 실험적으로 분석한 결과, 높은 조립 성공률을 갖는 대신 조립시간이 예측할 수 없는 단점이 나타나 이를 보완하기 위해서 렌치 궤적 또한 제안하였다. 먼저 가장 일반적으로 사용되는 나선 힘 궤적을 이용했을 때 조립 성공시간의 분산이 큰 이유를 확률개념을 이용해 분석하고, 이를 보완하기 위한 부분적 나선 힘 궤적을 제안한다. 제안한 힘 궤적이 나선 힘 궤적에 비해 갖는 성능의 우수성을 증명하기 위하여 수치적 분석, 반복적 시뮬레이션, 그리고 로봇을 이용한 실험을 수행하였다.1 INTRODUCTION 1 1.1 Motivation: Peg-in-Hole Assembly 1 1.2 Contributions of Thesis 2 1.3 Overview of Thesis 3 2 COMPLIANCE BASED STRATEGY 5 2.1 Background & Related Works 5 2.2 Analysis of Peg-in-Hole Procedure 6 2.2.1 Contact Analysis 7 2.2.2 Basic Idea 9 2.3 Peg-in-Hole Strategy 12 2.3.1 Unit Motions 12 2.3.2 State of Strategy 13 2.3.3 Conditions for State Transition 15 2.4 Control Frameworks 18 2.4.1 Control for Compliant Behavior 18 2.4.2 Friction Compensate 20 2.4.3 Control Input for the Strategy 25 2.5 Experiment 29 2.5.1 Experiment Environment 29 2.5.2 Fixed Peg and Fixed Hole 31 2.5.2.1 Experiment Results 31 2.5.2.2 Analysis of Force and Control Gain 36 2.5.3 Peg-in-Hole with Multi Finger Hand 41 2.5.3.1 Object Grasping 42 2.5.3.2 Object In-Hand Manipulation 44 2.5.3.3 Experiment Results 49 2.5.4 With Upper Body Robot 50 2.5.4.1 Peg-in-Hole Procedure 52 2.5.4.2 Kinematics of Grasped Object 54 2.5.4.3 Control Frameworks 54 2.5.4.4 Experiment Results 56 2.6 Discussion 59 2.6.1 Peg-in-Hole Transition 59 2.6.2 Influential Issues 59 3 WRENCH TRAJECTORY 63 3.1 Problem Statement 64 3.1.1 Hole Search Process 64 3.1.2 Spiral Force Trajectory Analysis 66 3.2 Partial Spiral Force Trajectory 70 3.2.1 Force Trajectory with Tilted Posture 70 3.2.2 Probability to Three-point Contact 76 3.3 SIMULATION & EXPERIMENT 78 3.3.1 Simulation 78 3.3.2 Experiment 83 4 CONCLUSIONS 90 Abstract (In Korean) 102Docto

Six-DOF Impedance Control of Dual-Arm Cooperative Manipulators

n/

Parallel algorithms for computation of the manipulator inertia matrix

The development of an O(log2N) parallel algorithm for the manipulator inertia matrix is presented. It is based on the most efficient serial algorithm which uses the composite rigid body method. Recursive doubling is used to reformulate the linear recurrence equations which are required to compute the diagonal elements of the matrix. It results in O(log2N) levels of computation. Computation of the off-diagonal elements involves N linear recurrences of varying-size and a new method, which avoids redundant computation of position and orientation transforms for the manipulator, is developed. The O(log2N) algorithm is presented in both equation and graphic forms which clearly show the parallelism inherent in the algorithm