Identification of Fully Physical Consistent Inertial Parameters using Optimization on Manifolds

This paper presents a new condition, the fully physical consistency for a set of inertial parameters to determine if they can be generated by a physical rigid body. The proposed condition ensure both the positive definiteness and the triangular inequality of 3D inertia matrices as opposed to existing techniques in which the triangular inequality constraint is ignored. This paper presents also a new parametrization that naturally ensures that the inertial parameters are fully physical consistency. The proposed parametrization is exploited to reformulate the inertial identification problem as a manifold optimization problem, that ensures that the identified parameters can always be generated by a physical body. The proposed optimization problem has been validated with a set of experiments on the iCub humanoid robot.Comment: 6 pages, published in Intelligent Robots and Systems (IROS), 2016 IEEE/RSJ International Conference o

Modelado y Resolución del Problema Dinámico Inverso y Directo en Tiempo Real de Robots Industriales

ResumenEste trabajo presenta el desarrollo y la validación de una metodología que permite el modelado y la resolución del problema dinámico en tiempo real de robots manipuladores. La ecuación dinámica del robot está basada en la ecuación de movimiento de Gibbs-Appell, proporcionando un conjunto de ecuaciones bien estructuradas que pueden ser calculadas en tiempo real.El artículo aborda el cálculo e implementación del problema dinámico directo e inverso de robots, aplicándose al control en tiempo real de un robot industrial PUMA 560 equipado con una arquitectura abierta de control basada en un computador personal industrial

Parallel robot for knee rehabilitation: Reduced order dynamic linear model, mechanical assembly and control system architecture

In this work we present the development of a dynamic linear model of a 3UPS+1RPU parallel robot for knee rehabilitation, which allows the reduction of the error with respect to simulation carried out based on its non-linear model. Furthermore, the design and implementation of a control algorithm in a real robot is detailed, for which a dynamic linear model has been developed based on inertial parameters including a friction model in Coulomb and viscosity parameters. Subsequently, the linear model has reduced applying the numerical method of decomposition into singular values, resulting in a model expressed as function of base parameters. This method uses a base parameter identification path obtained by finite Fourier series. This path is optimized through minimization algorithms restricted by distance, velocity and acceleration of the linear actuators of the robot, as well as the working space of its spherical joints. Then, the compatibility level of the reduced dynamic model is quantified by estimating mean square error determined between the generalized forces of the independent joints obtained from the model and compared with those resulting from simulations performed in Adams/View software for a trajectory obtained by finite Fourier series. Afterwards, mechanical components involved in the implementation of the prototype are selected and the control system of its actuators is designed. Finally, tests are performed in a laboratory through photogrammetry equipment, in order to validate joints mobility in the robot and study its performance, for this task defined trajectories based on criteria of a physiotherapist are used

Robot Process Control

Ce rapport est décomposé en 8 parties. La seconde partie rappelle les bases de la modélisation des robots à architecture série et présente les modélisations des deux robots. La troisième présente les méthodes d'identification utilisées. La quatrième décrit le processus d'identification du modèle de raideur par des essais à sortie bloquée. Les parties 5 et 6 exposent les résultats expérimentaux sur les deux robots. Enfin une conclusion et une bibliographie terminent ce rapport.Report is composed of 8 parts. The second one describes the basis of serial robot modelling. The third presents identification methods. The fourth part described the identification process of the model of flexibilities with tests used blocked tool frame. The parts 5 and 6 show the experimental results for the two different robots. Finally, the conclusion and the bibliography finish the report.AN

Identification du modèle avec flexibilité : méthode et paramètres numériques

Cette tâche traite de l'identification expérimentale des paramètres dynamiques de deux robots utilisés dans le projet COROUSSO : le robot Kuka KR270-2F et le robot Kuka KR500-2MT. Premièrement, les modèles dynamiques rigides des robots sont identifiés avec la méthode d'identification par modèle inverse et moindres carrés linéaires et/ou la méthode d'identification par erreur de sortie en position, en boucle ouverte. Deuxièmement, les raideurs articulaires et les gains d'actionnement des 3 premiers axes des robots sont identifiés grâce à des essais à effecteur bloqué. Les gains d'actionnement sont aussi identifiés avec des essais à vide et en charge. Les résultats de ces travaux sont utilisés pour la simulation des robots dans les autres tâches. En particulier dans la tâche 4.3, un simulateur du robot Kuka KR500-2MT avec prise en compte des raideurs articulaires est développé pour simuler les opérations d’usinage et de soudage

Hierarchical Adaptive Control of Modular and Reconfigurable Robot Manipulator Platforms

Within the rapidly growing interest in today's robotics industry, modular and reconfigurable robots (MRRs) are among the most auspicious systems to expand the adaptability of robotic applications. They are adaptable to multiple industrial field applications but they also have additional advantages such as versatile hardware, easier maintenance, and transportability. However, such features render the controller design that manages a variety of robot configurations with reliable performance more complex since their system dynamics involve not only nonlinearities and uncertainties but also changing dynamics parameters after the reconfiguration. In this thesis, the motion control problem of MRR manipulators is addressed and hierarchical adaptive control architecture is developed for MRRs. This hierarchical structure allows the adjustment of the nominal parameters of an MRR system for system parameter identification and control design purposes after the robot is reconfigured. This architecture simplifies the design of adaptive control for MRRs which is effective in the presence of dynamic parameter uncertainty, unmodeled dynamics, and disturbance. The proposed architecture provides flexibility in choosing adaptive algorithms applicable to MRRs. The developed architecture consists of high-level and low-level modules. The high-level module handles the dynamic parameters changes and reconstructs the parametric model used for on-line parameter identification after the modules are reassembled. The low-level structure consists of an adaptive algorithm updated by an on-line parameter estimation to handle the dynamic parameter uncertainties. Furthermore, a robust adaptive term is added into this low-level controller to compensate for the unmodeled dynamics and disturbances. The proposed adaptive control algorithms guarantee uniformly ultimate boundedness (UUB) of the MRR trajectories in terms of robust stability despite the dynamic parameter uncertainty, unmodeled dynamics, changes in the system dynamics, and disturbance

Metodología para la identificación de parámetros dinámicos en sistemas mecánicos de baja movilidad: Aplicación a una suspensión de vehículo automóvil

[EN] Abstract Knowledge of the dynamic parameters of mechanical systems is required in different applications, particularly in the simulation and control problems. The Department of Mechanical and Materials Engineering at the Polytechnic University of Valencia has worked for several years in identification of dynamic parameters of serial and parallel robots. With this thesis it is to continue the process of identification of dynamic parameters, now on other mechanical systems. Given that mainly the mechanisms that make the systems and machines are closed kinematic chain, in this work the standard identification methods are discussed and a new methodology for identification of dynamic parameters is raised when the closed chain is low mobility. After obtaining the dynamic model as a linear system with respect to the dynamic parameters, a model based on parameters that can be solved by numerical methods such as least squares. The determination of this model based on parameters depends on the linear dependence relations between the dynamic parameters. These relationships and the base parameters can be obtained by symbolic and numerical methods. In this thesis the standard methodology for the identification from the singular value decomposition, and a symbolic approach based on the concept of transfer of inertial properties is applied for obtaining base parameters. The advantages of applying symbolic methods are corroborated with the application of both methods on a closed chain of low mobility such as the automotive suspension. Because models in base parameters are ill-conditioned, they are unfit for identification of dynamic parameters; it seeks to reduce this feature reducing the model. For this purpose, the system uses the criteria given by the dynamic contribution index of each parameter. This index accounts for the effect of the parameter on the generalized forces of the system. The reduction applied criterion requires an initial approximation of the dynamic parameters. It has been found that the use of this criterion is not significantly affected by the approach used when symbolic expressions of the base parameters are known. Such is the case of models obtained by inertial transfers. The comparison between the different models developed, supports the conclusion that the models obtained through the symbolic methods have lower prediction errors and are insensitive to the initial approach.[ES] Resumen Conocer los parámetros dinámicos de los sistemas mecánicos es indispensable en diferentes aplicaciones, particularmente en las tareas de simulación y control. En el Departamento de Ingeniería Mecánica y Materiales de la Universidad Politécnica de Valencia se ha trabajado durante varios años en identificación de parámetros dinámicos de robots serie y paralelo. Con la presente tesis se pretende continuar con el proceso de identificación de parámetros dinámicos, ahora sobre otro tipo de sistemas mecánicos. Teniendo en cuenta que la gran mayoría de mecanismos que conforman los sistemas y las máquinas son de cadena cinemática cerrada, en este trabajo se analizan las metodologías de identificación existente y se plantea una nueva metodología de identificación para cuando la cadena cerrada es de baja movilidad. Una vez obtenido el modelo dinámico como sistema lineal respecto a los parámetros dinámicos, se determina un modelo en parámetros base que puede ser resuelto a través de métodos numéricos como mínimos cuadrados. La determinación de este modelo en parámetros base depende de las relaciones de dependencia lineal que se tienen entre los parámetros dinámicos. Estas relaciones, y por tanto, los conjuntos de parámetros base pueden obtenerse a través de metodologías simbólicas y numéricas. En esta tesis se aplica la metodología estándar de identificación a partir de la descomposición en valores singulares, y una metodología simbólica a partir del concepto de trasferencia de propiedades inerciales, para obtener modelos en parámetros base. Las ventajas de aplicar métodos simbólicos sobre los numéricos son evidenciadas y corroboradas con la aplicación de ambas metodologías sobre una cadena cerrada de baja movilidad como lo es la suspensión de un vehículo automóvil. Como los modelos en parámetros base presentan altos condicionamientos numéricos que los hacen impropios para tareas de identificación, se busca disminuir esta característica reduciendo el modelo. Para ello, se aplica como criterio el ordenamiento dado por el índice de contribución dinámica de cada parámetro. Este índice da cuenta del efecto del parámetro sobre las fuerzas generalizadas del sistema. El criterio de reducción aplicado requiere de una aproximación inicial de los parámetros dinámicos. Se ha podido comprobar que la utilización de este criterio no se ve afectada significativamente por la aproximación utilizada cuando se conocen las expresiones simbólicas de los parámetros base. Tal es el caso de los modelos obtenidos por transferencias inerciales. La comparación entre los diferentes modelos elaborados, permiten afirmar que los modelos obtenidos a través de los métodos simbólicos presentan menores errores de predicción y son poco sensibles a la aproximación inicial.[CA] Resum Coneixer els parametros dinamics dels sistemes mecanics es indispensable en diferents aplicacions, particularment en les tasques de simulació i control. En el Departament d'Ingenieria Mecanica i Materials de l'Universitat Politecnica de Valencia s'ha treballat durant varis anys en identificació de paràmetres dinàmics de robots serie i paralel. En el present TESIS es pretén continuar en el proces d'identificació de paràmetres dinámics, ara sobre atre tipo de sistemes mecanics. Tenint en conte que la gran majoria de mecanismes que conformen els sistemes i les maquines son de cadena cinematica tancada, en este treball s'analisen les metodologies d'identificació existent i se planteja una nova metodologia d'identificació per a quan la cadena tancada es de baixa movilitat. Despres d'obtingut el model dinàmic com sistema llinial respecte als paràmetres dinàmics, se determina un model en paràmetres base que pot ser resolt a través de metodos numerics com minims quadrats. La determinació d'este model en paràmetres base depen de les relacions de dependencia llinial que se tenen entre els paràmetros dinàmics. Estes relacions, i per tant, els conjunts de paràmetres base poden obtindre's a través de metodologies simboliques i numeriques. En este treball s'aplica la metodologia estandart d'identificació a partir de la descomposició en valors singulars, i una metodologia simbolica a partir del concepte de transferencia de propietats inerciales, per a obtindre models en paràmetres base. Les ventages d'aplicar metodos simbolics sobre els numerics son evidenciades i corroborades en l'aplicació d'abdos metodologies sobre una cadena tancada de baixa movilitat com ho es la suspensió d'un vehicle automovil. Com els models en paràmetres base presenten alts condicionaments numerics que els fan impropis per a tasques d'identificació, se busca disminuir esta caracteristica reduint el model. Per a aixó, s'aplica com criteri l'ordenament donat per l'index de contribució dinàmica de cada paràmetre. Este index dona conte de l'efecte del paràmetre sobre les forces generalisades del sistema. El criteri de reducció aplicada requerix d'una aproximació inicial dels paràmetros dinàmics. S'ha pogut comprovar que l'utilisació d'este criteri no se veu afectada significativament per l'aproximació utilisada quan se coneixen les expressions simboliques dels paràmetres base. Tal es el cas dels models obtinguts per transferencies inerciales. La comparança entre els diferents models elaborats, permeten afirmar que els models obtinguts a través dels metodos simbòlics presenten menors erros de predicció i son poc sensibles a l'aproximació inicial.Mejía Calderón, LA. (2016). Metodología para la identificación de parámetros dinámicos en sistemas mecánicos de baja movilidad: Aplicación a una suspensión de vehículo automóvil [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62352TESI

Parallel Manipulators

In recent years, parallel kinematics mechanisms have attracted a lot of attention from the academic and industrial communities due to potential applications not only as robot manipulators but also as machine tools. Generally, the criteria used to compare the performance of traditional serial robots and parallel robots are the workspace, the ratio between the payload and the robot mass, accuracy, and dynamic behaviour. In addition to the reduced coupling effect between joints, parallel robots bring the benefits of much higher payload-robot mass ratios, superior accuracy and greater stiffness; qualities which lead to better dynamic performance. The main drawback with parallel robots is the relatively small workspace. A great deal of research on parallel robots has been carried out worldwide, and a large number of parallel mechanism systems have been built for various applications, such as remote handling, machine tools, medical robots, simulators, micro-robots, and humanoid robots. This book opens a window to exceptional research and development work on parallel mechanisms contributed by authors from around the world. Through this window the reader can get a good view of current parallel robot research and applications

Estimación de parámetros dinámicos en robots manipuladores

La identificación de los parámetros dinámicos que constituyen el modelo dinámico de un robot manipulador tiene por objeto la estimación de valores precisos de dichos parámetros a partir de medidas experimentales del movimiento del robot, siendo éste el único procedimiento práctico que permite la obtención de valores fiables de los mismos cuando el sistema mecánico presenta una mínima complejidad. La importancia de la identificación de parámetros dinámicos se manifiesta especialmente tanto en aplicaciones de control por dinámica inversa como en simulación dinámica. En esta tesis, se aborda la identificación de parámetros dinámicos, tanto desde el punto de vista teórico como experimental, en robots manipuladores con configuración de cadena cinemática abierta. Por una parte, se desarrolla el modelo dinámico de un robot manipulador a partir de las ecuaciones de la dinámica de acuerdo al formalismo de Gibbs-Appell. Para ello, se asume el robot constituido por barras rígidas, modelándose independientemente el comportamiento dinámico de los actuadores. Se consideran asimismo algunos modelos de fricción lineales con respecto a sus coeficientes con objeto de modelar los fenómenos de fricción en los nudos. Posteriormente, las ecuaciones que constituyen dicho modelo dinámico son reescritas de forma lineal respecto a los parámetros dinámicos a identificar y en forma matricial, a fin de permitir la posterior aplicación de técnicas numéricas tanto de análisis y reducción como de resolución del sistema de ecuaciones así constituido. Por otra parte, se tratan algunos aspectos fundamentales de la identificación de parámetros dinámicos tanto a nivel teórico como práctico. Así, se aborda la generación de trayectorias optimizadas, recurriéndose a la parametrización de las mismas mediante series finitas de Fourier, lo cual permite beneficiarse del carácter periódico de éstas. Asimismo, se propone un procedimiento para la resolución del sistema de ecuaciones mediante el cual se asegura lBenimeli Andreu, FJ. (2005). Estimación de parámetros dinámicos en robots manipuladores [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1995Palanci