A Novel Adaptive Sliding Mode Controller for a 2-DOF Elastic Robotic Arm

Collaborative robots (or cobots) are robots that are capable of safely operating in a shared environment or interacting with humans. In recent years, cobots have become increasingly common. Compliant actuators are critical in the design of cobots. In real applications, this type of actuation system may be able to reduce the amount of damage caused by an unanticipated collision. As a result, elastic joints are expected to outperform stiff joints in complex situations. In this work, the control of a 2-DOF robot arm with elastic actuators is addressed by proposing a two-loop adaptive controller. For the outer control loop, an adaptive sliding mode controller (ASMC) is adopted to deal with uncertainties and disturbance on the load side of the robot arm. For the inner loops, model reference adaptive controllers (MRAC) are utilised to handle the uncertainties on the motor side of the robot arm. To show the effectiveness of the proposed controller, extensive simulation experiments and a comparison with the conventional sliding mode controller (SMC) are carried out. As a result, the ASMC has a 50.35% lower average RMS error than the SMC controller, and a shorter settling time (5% criterion) (0.44 s compared to 2.11 s).publishedVersio

Design of PID, FLC and Sliding Mode Controller for 2-DOF Robotic Manipulator: A Comparative Study

Controlling the manipulators in a precise manner is a challenging task. To overcome this difficulty around the world, many researchers have developed various control algorithms but are not providing optimal results. To obtain the optimal results in the current research the authors designed a proportional, integral, and derivative (PID) controller, fuzzy logic controller (FLC), and sliding mode controller (SMC) for a 2-DOF manipulator. The concept of forward and inverse kinematics was initially solved after assigning the D-H parameters for each joint. The purpose of forward or direct kinematics is to obtain the position and orientation of the end effector. Further, the concept of inverse kinematics is used to estimate the joint angles. Later on, the Lagrange-Euler formulation was used to calculate the dynamics of the 2-DOF manipulator, which is required to estimate the torque required for each joint of the robotics arm. The main goal of this research problem is to optimize the angular error between the two successive events. Finally, the developed algorithm is compared with the existing algorithms such as PID and Fuzzy logic controller

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

Stratégie de commande distribuée pour les manipulateurs rigides et flexibles assurant la stabilité des erreurs de suivi de trajectoires

Cette thèse de doctorat propose et valide expérimentalement une nouvelle stratégie de commande distribuée pour les manipulateurs rigides et flexibles assurant le suivi de trajectoires dans l’espace articulaire et cartésien. Cette stratégie est développée, dans un premier temps, pour les manipulateurs rigides. Ensuite, elle est modifiée pour prendre en compte la flexibilité des bras au niveau des manipulateurs flexibles. Dans le cas des manipulateurs rigides, cette stratégie est utilisée pour assurer un bon suivi de trajectoires dans l’espace de travail. Dans le cas où les paramètres du système sont parfaitement connus, une stratégie de commande distribuée est utilisée. Cette stratégie de commande décompose, dans un premier temps, la dynamique du manipulateur en plusieurs sous-systèmes non linéaires interconnectés. Chaque sous-système représente une articulation. Ensuite, la commande distribuée consiste à contrôler le manipulateur en commençant par la dernière articulation (sous-système) toute en supposant que le reste des articulations est stable. La même procédure est utilisée au rebours jusqu’à la première articulation. Dans le cas où les paramètres du système ne sont pas connus, une commande adaptative est développée. Dans ce contexte, la commande distribuée et adaptative peut être interprétée comme étant une commande hiérarchique. En effet, les paramètres inconnus, existant dans l’équation de mouvement du dernier sous-système, sont tout d’abord estimés et la loi de commande est ainsi déduite en fonction de ces paramètres. Puis, passant à l’avant-dernier sous-système, la loi de commande est développée en fonction de leurs propres paramètres estimés, existant dans l’équation de mouvement de l’avant-dernière articulation, et les paramètres estimés du sous-système de niveau supérieur. La même stratégie est utilisée à contresens jusqu’au premier sous-système. L’approche de Lyapunov est utilisée pour prouver la stabilité globale des erreurs de suivi. Les deux lois de commande sont validées expérimentalement sur un manipulateur rigide à 7 ddl et elles montrent un bon suivi dans l’espace articulaire et cartésien. Dans le cas des manipulateurs flexibles, cette stratégie est modifiée et étendue pour assurer un bon suivi de trajectoires dans l’espace articulaire et, en même temps, minimiser les vibrations au niveau des bras flexibles. Donc, en plus de l’objectif de suivi de trajectoire utilisée dans le cas des manipulateurs flexibles, la stratégie de commande doit assurer la déformation bornée et minimiser les vibrations des bras flexibles. Au contraire des manipulateurs rigide, les manipulateurs flexibles sont des systèmes sous-actionnés, c’est-à-dire ils possèdent plus de degrés de liberté que d’entrées de commande. Dans ce cas, chaque sous-système est composé d’une articulation et le bras flexible associé. Dans le cas où les paramètres du manipulateur sont parfaitement connus, une commande distribuée est développée pour assurer la stabilité des erreurs de suivi dans l’espace articulaire et réduire les vibrations des bras flexibles. Cette stratégie consiste à commander et stabiliser la dernière articulation ainsi que le dernier bras flexible en supposant que le reste des sous-systèmes sont stables. Puis, passons aux contrôle et stabilité de l’avant-dernier sous–système de la même façon. Cette démarche est suivie, au rebours, jusqu'au premier sous-système. Sa version adaptative, dite « hiérarchique », est également développée. La stabilité globale est prouvée en utilisant l’approche de Lyapunov. La validation expérimentale des deux lois de commande sur un manipulateur flexible à 2 ddl montre un bon suivi de trajectoires dans l’espace articulaire et des vibrations minimales au niveau des bras flexibles. Dans le cas de suivi de trajectoires dans l’espace de travail des manipulateurs flexibles, la cinématique inverse, utilisée pour les manipulateurs rigides, n’est plus suffisante pour transformer les trajectoires désirées de l’espace de travail vers l’espace articulaire. En plus d’une relation cinématique, il existe une relation dynamique entre l’espace de travail et articulaire. Pour résoudre ce problème, un espace intermédiaire, nommé « virtuel » et la méthode quasi-statique sont utilisés. En effet, la cinématique inverse est utilisée pour transformer la trajectoire désirée de l’espace de travail vers l’espace virtuel tandis que l'approche quasi-statique est utilisée pour le passage de l'espace virtuel à l'espace articulaire. Lors du contrôle direct de l’extrémité, les manipulateurs flexibles deviennent des systèmes à non minimum de phase et la dynamique interne n'est plus bornée. Pour surmonter ce problème, la technique de la redéfinition de sortie est utilisée pour sélectionner une sortie la plus proche possible de l'extrémité assurant une dynamique interne bornée. Cette sortie est composée de la position angulaire plus une valeur pondérée de la déformation de l’extrémité du bras flexible. Une étude de stabilité de la dynamique interne (ou dynamique des zéros) en utilisant la passivité est utilisée pour déterminer la valeur critique du paramètre caractérisant cette sortie paramétrisée. Deux lois de commande sont développées pour un robot à deux bras flexibles. La première loi de commande basée sur l’approche de linéarisation par retour d’état assure juste la stabilité locale des erreurs de suivi. La deuxième loi de commande constitue une généralisation pour assurer la stabilité globale de la dynamique des erreurs de suivi. Ces deux algorithmes sont testés sur un robot à deux bras flexibles et montrent un bon suivi de trajectoires dans l’espace de travail

TIP trajectory tracking of flexible-joint manipulators

In most robot applications, the control of the manipulator’s end-effector along a specified desired trajectory is the main concern. In these applications, the end-effector (tip) of the manipulator is required to follow a given trajectory. Several methods have been so far proposed for the motion control of robot manipulators. However, most of these control methods ignore either joint friction or joint elasticity which can be caused by the transmission systems (e.g. belts and gearboxes). This study aims at development of a comprehensive control strategy for the tip-trajectory tracking of flexible-joint robot manipulators. While the proposed control strategy takes into account the effect of the friction and the elasticity in the joints, it also provides a highly accurate motion for the manipulator’s end-effector. During this study several approaches have been developed, implemented and verified experimentally/numerically for the tip trajectory tracking of robot manipulators. To compensate for the elasticity of the joints two methods have been proposed; they are a composite controller whose design is based on the singular perturbation theory and integral manifold concept, and a swarm controller which is a novel biologically-inspired controller and its concept is inspired by the movement of real biological systems such as flocks of birds and schools of fishes. To compensate for the friction in the joints two new approaches have been also introduced. They are a composite compensation strategy which consists of the non-linear dynamic LuGre model and a Proportional-Derivative (PD) compensator, and a novel friction compensation method whose design is based on the Work-Energy principle. Each of these proposed controllers has some advantages and drawbacks, and hence, depending on the application of the robot manipulator, they can be employed. For instance, the Work-Energy method has a simpler form than the LuGre-PD compensator and can be easily implemented in industrial applications, yet it provides less accuracy in friction compensation. In addition to design and develop new controllers for flexible-joint manipulators, another contribution of this work lays in the experimental verification of the proposed control strategies. For this purpose, experimental setups of a two-rigid-link flexible-joint and a single-rigid-link flexible-joint manipulators have been employed. The proposed controllers have been experimentally tested for different trajectories, velocities and several flexibilities of the joints. This ensures that the controllers are able to perform effectively at different trajectories and speeds. Besides developing control strategies for the flexible-joint manipulators, dynamic modeling and vibration suppression of flexible-link manipulators are other parts of this study. To derive dynamic equations for the flexible-link flexible-joint manipulators, the Lagrange method is used. The simulation results from Lagrange method are then confirmed by the finite element analysis (FEA) for different trajectories. To suppress the vibration of flexible manipulators during the manoeuvre, a collocated sensor-actuator is utilized, and a proportional control method is employed to adjust the voltage applied to the piezoelectric actuator. Based on the controllability of the states and using FEA, the optimum location of the piezoelectric along the manipulator is found. The effect of the controller’s gain and the delay between the input and output of the controller are also analyzed through a stability analysis

Proceedings of the NASA Conference on Space Telerobotics, volume 4

Papers presented at the NASA Conference on Space Telerobotics are compiled. The theme of the conference was man-machine collaboration in space. The conference provided a forum for researchers and engineers to exchange ideas on the research and development required for the application of telerobotic technology to the space systems planned for the 1990's and beyond. Volume 4 contains papers related to the following subject areas: manipulator control; telemanipulation; flight experiments (systems and simulators); sensor-based planning; robot kinematics, dynamics, and control; robot task planning and assembly; and research activities at the NASA Langley Research Center

Aspects of an open architecture robot controller and its integration with a stereo vision sensor.

The work presented in this thesis attempts to improve the performance of industrial robot systems in a flexible manufacturing environment by addressing a number of issues related to external sensory feedback and sensor integration, robot kinematic positioning accuracy, and robot dynamic control performance. To provide a powerful control algorithm environment and the support for external sensor integration, a transputer based open architecture robot controller is developed. It features high computational power, user accessibility at various robot control levels and external sensor integration capability. Additionally, an on-line trajectory adaptation scheme is devised and implemented in the open architecture robot controller, enabling a real-time trajectory alteration of robot motion to be achieved in response to external sensory feedback. An in depth discussion is presented on integrating a stereo vision sensor with the robot controller to perform external sensor guided robot operations. Key issues for such a vision based robot system are precise synchronisation between the vision system and the robot controller, and correct target position prediction to counteract the inherent time delay in image processing. These were successfully addressed in a demonstrator system based on a Puma robot. Efforts have also been made to improve the Puma robot kinematic and dynamic performance. A simple, effective, on-line algorithm is developed for solving the inverse kinematics problem of a calibrated industrial robot to improve robot positioning accuracy. On the dynamic control aspect, a robust adaptive robot tracking control algorithm is derived that has an improved performance compared to a conventional PID controller as well as exhibiting relatively modest computational complexity. Experiments have been carried out to validate the open architecture robot controller and demonstrate the performance of the inverse kinematics algorithm, the adaptive servo control algorithm, and the on-line trajectory generation. By integrating the open architecture robot controller with a stereo vision sensor system, robot visual guidance has been achieved with experimental results showing that the integrated system is capable of detecting, tracking and intercepting random objects moving in 3D trajectory at a velocity up to 40mm/s

Model-Based Robot Control and Multiprocessor Implementation

Model-based control of robot manipulators has been gaining momentum in recent years. Unfortunately there are very few experimental validations to accompany simulation results and as such majority of conclusions drawn lack the credibility associated with the real control implementation