An Analysis Review: Optimal Trajectory for 6-DOF-based Intelligent Controller in Biomedical Application

With technological advancements and the development of robots have begun to be utilized in numerous sectors, including industrial, agricultural, and medical. Optimizing the path planning of robot manipulators is a fundamental aspect of robot research with promising future prospects. The precise robot manipulator tracks can enhance the efficacy of a variety of robot duties, such as workshop operations, crop harvesting, and medical procedures, among others. Trajectory planning for robot manipulators is one of the fundamental robot technologies, and manipulator trajectory accuracy can be enhanced by the design of their controllers. However, the majority of controllers devised up to this point were incapable of effectively resolving the nonlinearity and uncertainty issues of high-degree freedom manipulators in order to overcome these issues and enhance the track performance of high-degree freedom manipulators. Developing practical path-planning algorithms to efficiently complete robot functions in autonomous robotics is critical. In addition, designing a collision-free path in conjunction with the physical limitations of the robot is a very challenging challenge due to the complex environment surrounding the dynamics and kinetics of robots with different degrees of freedom (DoF) and/or multiple arms. The advantages and disadvantages of current robot motion planning methods, incompleteness, scalability, safety, stability, smoothness, accuracy, optimization, and efficiency are examined in this paper

Autonomous Mechanical Assembly on the Space Shuttle: An Overview

The space shuttle will be equipped with a pair of 50 ft. manipulators used to handle payloads and to perform mechanical assembly operations. Although current plans call for these manipulators to be operated by a human teleoperator. The possibility of using results from robotics and machine intelligence to automate this shuttle assembly system was investigated. The major components of an autonomous mechanical assembly system are examined, along with the technology base upon which they depend. The state of the art in advanced automation is also assessed

Control strategy for cooperating disparate manipulators

To manipulate large payloads typical of space construction, the concept of a small arm mounted on the end of a large arm is introduced. The main purposes of such a configuration are to increase the structural stiffness of the robot by bracing against or locking to a stationary frame, and to maintain a firm position constraint between the robot's base and workpieces by grasping them. Possible topologies for a combination of disparate large and small arms are discussed, and kinematics, dynamics, controls, and coordination of the two arms, especially when they brace at the tip of the small arm, are developed. The feasibility and improvement in performance are verified, not only with analytical work and simulation results but also with experiments on the existing arrangement Robotic Arm Large and Flexible and Small Articulated Manipulator

Design, analysis and kinematic control of highly redundant serial robotic arms

The use of robotic manipulators in industry has grown in the last decades to improve and speed up industrial processes. Industrial manipulators started to be investigated for machining tasks since they can cover larger workspaces, increasing the range of achievable operations and improving flexibility. The company Nimbl’Bot developed a new mechanism, or module, to build stiffer flexible serial modular robots for machining applications. This manipulator is a kinematic redundant robot with 21 degrees of freedom. This thesis thoroughly analysis the Nimbl’Bot robot features and is divided into three main topics. The first topic regards using a task priority kinematic redundancy resolution algorithm for the Nimbl’Bot robot tracking trajectory while optimizing its kinetostatic performances. The second topic is the kinematic redundant robot design optimization with respect to a desired application and its kinetostatic performance. For the third topic, a new workspace determination algorithm is proposed for kinematic redundant manipulators. Several simulation tests are proposed and tested on some Nimbl’Bot robot designs for each subjects

Sequential and Simultaneous Algorithms to Solve the Collision-Free Trajectory Planning Problem for Industrial Robots – Impact of Interpolation Functions and the Characteristics of the Actuators on Robot Performance

This paper has been possible thanks to the funding of Science and Innovation Ministry of the Spain Government by means of the Researching and Technologic Development Project DPI2010-20814-C02-01 (IDEMOV).Rubio Montoya, FJ.; Valero Chuliá, FJ.; Besa Gonzálvez, AJ.; Pedrosa Sanchez, AM. (2012). Sequential and Simultaneous Algorithms to Solve the Collision-Free Trajectory Planning Problem for Industrial Robots ¿ Impact of Interpolation Functions and the Characteristics of the Actuators on Robot Performance. En Robotic Systems - Applications, Control and Programming. InTech. 591-610. doi:10.5772/25970S59161

Design, Simulation and Testing of a Controller And Software Framework for Automated Construction by a Robotic Manipulator

abstract: The construction industry is very mundane and tiring for workers without the assistance of machines. This challenge has changed the trend of construction industry tremendously by motivating the development of robots that can replace human workers. This thesis presents a computed torque controller that is designed to produce movements by a small-scale, 5 degree-of-freedom (DOF) robotic arm that are useful for construction operations, specifically bricklaying. A software framework for the robotic arm with motion and path planning features and different control capabilities has also been developed using the Robot Operating System (ROS). First, a literature review of bricklaying construction activity and existing robots’ performance is discussed. After describing an overview of the required robot structure, a mathematical model is presented for the 5-DOF robotic arm. A model-based computed torque controller is designed for the nonlinear dynamic robotic arm, taking into consideration the dynamic and kinematic properties of the arm. For sustainable growth of this technology so that it is affordable to the masses, it is important that the energy consumption by the robot is optimized. In this thesis, the trajectory of the robotic arm is optimized using sequential quadratic programming. The results of the energy optimization procedure are also analyzed for different possible trajectories. A construction testbed setup is simulated in the ROS platform to validate the designed controllers and optimized robot trajectories on different experimental scenarios. A commercially available 5-DOF robotic arm is modeled in the ROS simulators Gazebo and Rviz. The path and motion planning is performed using the Moveit-ROS interface and also implemented on a physical small-scale robotic arm. A Matlab-ROS framework for execution of different controllers on the physical robot is described. Finally, the results of the controller simulation and experiments are discussed in detail.Dissertation/ThesisMasters Thesis Mechanical Engineering 201

Novel Design and Analysis of Parallel Robotic Mechanisms

A parallel manipulator has several limbs that connect and actuate an end effector from the base. The design of parallel manipulators usually follows the process of prescribed task, design evaluation, and optimization. This dissertation focuses on interference-free designs of dynamically balanced manipulators and deployable manipulators of various degrees of freedom (DOFs). 1) Dynamic balancing is an approach to reduce shaking loads in motion by including balancing components. The shaking loads could cause noise and vibration. The balancing components may cause link interference and take more actuation energy. The 2-DOF (2-RR)R or 3-DOF (2-RR)R planar manipulator, and 3-DOF 3-RRS spatial manipulator are designed interference-free and with structural adaptive features. The structural adaptions and motion planning are discussed for energy minimization. A balanced 3-DOF (2-RR)R and a balanced 3-DOF 3-RRS could be combined for balanced 6-DOF motion. 2) Deployable feature in design allows a structure to be folded. The research in deployable parallel structures of non-configurable platform is rare. This feature is demanded, for example the outdoor solar tracking stand has non-configurable platform and may need to lie-flat on floor at stormy weathers to protect the structure. The 3-DOF 3-PRS and 3-DOF 3-RPS are re-designed to have deployable feature. The 6-DOF 3-[(2-RR)UU] and 5-DOF PRPU/2-[(2-RR)UU] are designed for deployable feature in higher DOFs. Several novel methods are developed for rapid workspace evaluation, link interference detection and stiffness evaluation. The above robotic manipulators could be grouped as a robotic system that operates in a green way and works harmoniously with nature

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

Advanced Strategies for Robot Manipulators

Amongst the robotic systems, robot manipulators have proven themselves to be of increasing importance and are widely adopted to substitute for human in repetitive and/or hazardous tasks. Modern manipulators are designed complicatedly and need to do more precise, crucial and critical tasks. So, the simple traditional control methods cannot be efficient, and advanced control strategies with considering special constraints are needed to establish. In spite of the fact that groundbreaking researches have been carried out in this realm until now, there are still many novel aspects which have to be explored