On improving robot image-based visual servoing based on dual-rate reference filtering control strategy

It is well known that the use of multi-rate control techniques have improved the performance of many systems in general, and robotic systems, in particular. The main contribution of this paper is the generalization of the Reference Filtering control strategy from a dual-rate point of view, improving its inherent properties by overcoming the problem of sensor latency. In the paper, we discuss and analyze the improvements introduced by the novel dual-rate reference filtering control strategy in terms of convergence time, reachability and robustness. More specifically, we discuss the capability to solve positioning tasks, when hardware limitations are present with large sampling rates. In addition, a comparison is made between the single-rate and the proposed dual-rate control strategies to prove the advantages of the latter approach. A complete set-up has been prepared for validation, including a six degree of freedom (DOF) industrial manipulator, a smart camera and embedded hardware used as a high level controller.This work was supported by VALi+d Program (Generalitat Valenciana), DIVISAMOS Project (Spanish Ministry, DPI-2009-14744-C03-01), PROMETEO Program (Conselleria d'Educacio, Generalitat Valenciana) and SAFEBUS: Ministry of Economy and Competitivity, IPT-2011-1165-370000).Solanes Galbis, JE.; Muñoz Benavent, P.; Girbés, V.; Armesto Ángel, L.; Tornero Montserrat, J. (2015). On improving robot image-based visual servoing based on dual-rate reference filtering control strategy. Robotica. 1-18. https://doi.org/10.1017/S0263574715000454S11

Generalization of reference filtering control strategy for 2D/3D visual feedback control of industrial robot manipulators

This is an Author's Accepted Manuscript of an article published in Solanes, J. E., Munoz-Benavent, P., Armesto, L., Gracia, L., & Tornero, J. (2022). Generalization of reference filtering control strategy for 2D/3D visual feedback control of industrial robot manipulators. International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 35(3), 229-246, 2021 Informa UK Limited, trading as Taylor & Francis Group, available online at: http://www.tandfonline.com/10.1080/0951192X.2021.1973108.[EN] This paper develops the application of the Dual Rate Dual Sampling Reference Filtering Control Strategy to 2D and 3D visual feedback control. This strategy allows to overcome the problem of sensor latency and to address the problem of control task failure due to visual features leaving the camera field of view. In particular, a Dual Rate Kalman Filter is used to generate inter-sample estimations of the visual features to deal with the problem of vision sensor latency, whereas a Dual Rate Extended Kalman Filter Smoother is used to generate more convenient visual features trajectories in the image plane. Both 2D and 3D visual feedback control approaches are widely analyzed throughout the paper, as well as the overall system performance using different visual feedback controllers, providing a set of results that highlight the improvements in terms of solution reachability, robustness, and time domain response. The proposed control strategy has been validated on an industrial system with hard real-time limitations, consisting of a 6 DOF industrial manipulator, a 5 MP camera, and a PLC as controller.This work was supported in part by the Spanish Government under the projects PID2020-117421RB-C21 and PID2020116585GB-I00, and in part by the Generalitat Valenciana under the project GV/2021/181.Solanes, JE.; Muñoz-Benavent, P.; Armesto, L.; Gracia Calandin, LI.; Tornero Montserrat, J. (2022). Generalization of reference filtering control strategy for 2D/3D visual feedback control of industrial robot manipulators. International Journal of Computer Integrated Manufacturing. 35(3):229-246. https://doi.org/10.1080/0951192X.2021.197310822924635

Robot Visual Servoing Using Discontinuous Control

This work presents different proposals to deal with common problems in robot visual servoing based on the application of discontinuous control methods. The feasibility and effectiveness of the proposed approaches are substantiated by simulation results and real experiments using a 6R industrial manipulator. The main contributions are: - Geometric invariance using sliding mode control (Chapter 3): the defined higher-order invariance is used by the proposed approaches to tackle problems in visual servoing. Proofs of invariance condition are presented. - Fulfillment of constraints in visual servoing (Chapter 4): the proposal uses sliding mode methods to satisfy mechanical and visual constraints in visual servoing, while a secondary task is considered to properly track the target object. The main advantages of the proposed approach are: low computational cost, robustness and fully utilization of the allowed space for the constraints. - Robust auto tool change for industrial robots using visual servoing (Chapter 4): visual servoing and the proposed method for constraints fulfillment are applied to an automated solution for tool changing in industrial robots. The robustness of the proposed method is due to the control law of the visual servoing, which uses the information acquired by the vision system to close a feedback control loop. Furthermore, sliding mode control is simultaneously used in a prioritized level to satisfy the aforementioned constraints. Thus, the global control accurately places the tool in the warehouse, but satisfying the robot constraints. - Sliding mode controller for reference tracking (Chapter 5): an approach based on sliding mode control is proposed for reference tracking in robot visual servoing using industrial robot manipulators. The novelty of the proposal is the introduction of a sliding mode controller that uses a high-order discontinuous control signal, i.e., joint accelerations or joint jerks, in order to obtain a smoother behavior and ensure the robot system stability, which is demonstrated with a theoretical proof. - PWM and PFM for visual servoing in fully decoupled approaches (Chapter 6): discontinuous control based on pulse width and pulse frequency modulation is proposed for fully decoupled position based visual servoing approaches, in order to get the same convergence time for camera translation and rotation. Moreover, other results obtained in visual servoing applications are also described.Este trabajo presenta diferentes propuestas para tratar problemas habituales en el control de robots por realimentación visual, basadas en la aplicación de métodos de control discontinuos. La viabilidad y eficacia de las propuestas se fundamenta con resultados en simulación y con experimentos reales utilizando un robot manipulador industrial 6R. Las principales contribuciones son: - Invariancia geométrica utilizando control en modo deslizante (Capítulo 3): la invariancia de alto orden definida aquí es utilizada después por los métodos propuestos, para tratar problemas en control por realimentación visual. Se apuertan pruebas teóricas de la condición de invariancia. - Cumplimiento de restricciones en control por realimentación visual (Capítulo 4): esta propuesta utiliza métodos de control en modo deslizante para satisfacer restricciones mecánicas y visuales en control por realimentación visual, mientras una tarea secundaria se encarga del seguimiento del objeto. Las principales ventajas de la propuesta son: bajo coste computacional, robustez y plena utilización del espacio disponible para las restricciones. - Cambio de herramienta robusto para un robot industrial mediante control por realimentación visual (Capítulo 4): el control por realimentación visual y el método propuesto para el cumplimiento de las restricciones se aplican a una solución automatizada para el cambio de herramienta en robots industriales. La robustez de la propuesta radica en el uso del control por realimentación visual, que utiliza información del sistema de visión para cerrar el lazo de control. Además, el control en modo deslizante se utiliza simultáneamente en un nivel de prioridad superior para satisfacer las restricciones. Así pues, el control es capaz de dejar la herramienta en el intercambiador de herramientas de forma precisa, a la par que satisface las restricciones del robot. - Controlador en modo deslizante para seguimiento de referencia (Capítulo 5): se propone un enfoque basado en el control en modo deslizante para seguimiento de referencia en robots manipuladores industriales controlados por realimentación visual. La novedad de la propuesta radica en la introducción de un controlador en modo deslizante que utiliza la señal de control discontinua de alto orden, i.e. aceleraciones o jerks de las articulaciones, para obtener un comportamiento más suave y asegurar la estabilidad del sistema robótico, lo que se demuestra con una prueba teórica. - Control por realimentación visual mediante PWM y PFM en métodos completamente desacoplados (Capítulo 6): se propone un control discontinuo basado en modulación del ancho y frecuencia del pulso para métodos completamente desacoplados de control por realimentación visual basados en posición, con el objetivo de conseguir el mismo tiempo de convergencia para los movimientos de rotación y traslación de la cámara . Además, se presentan también otros resultados obtenidos en aplicaciones de control por realimentación visual.Aquest treball presenta diferents propostes per a tractar problemes habituals en el control de robots per realimentació visual, basades en l'aplicació de mètodes de control discontinus. La viabilitat i eficàcia de les propostes es fonamenta amb resultats en simulació i amb experiments reals utilitzant un robot manipulador industrial 6R. Les principals contribucions són: - Invariància geomètrica utilitzant control en mode lliscant (Capítol 3): la invariància d'alt ordre definida ací és utilitzada després pels mètodes proposats, per a tractar problemes en control per realimentació visual. S'aporten proves teòriques de la condició d'invariància. - Compliment de restriccions en control per realimentació visual (Capítol 4): aquesta proposta utilitza mètodes de control en mode lliscant per a satisfer restriccions mecàniques i visuals en control per realimentació visual, mentre una tasca secundària s'encarrega del seguiment de l'objecte. Els principals avantatges de la proposta són: baix cost computacional, robustesa i plena utilització de l'espai disponible per a les restriccions. - Canvi de ferramenta robust per a un robot industrial mitjançant control per realimentació visual (Capítol 4): el control per realimentació visual i el mètode proposat per al compliment de les restriccions s'apliquen a una solució automatitzada per al canvi de ferramenta en robots industrials. La robustesa de la proposta radica en l'ús del control per realimentació visual, que utilitza informació del sistema de visió per a tancar el llaç de control. A més, el control en mode lliscant s'utilitza simultàniament en un nivell de prioritat superior per a satisfer les restriccions. Així doncs, el control és capaç de deixar la ferramenta en l'intercanviador de ferramentes de forma precisa, a la vegada que satisfà les restriccions del robot. - Controlador en mode lliscant per a seguiment de referència (Capítol 5): es proposa un enfocament basat en el control en mode lliscant per a seguiment de referència en robots manipuladors industrials controlats per realimentació visual. La novetat de la proposta radica en la introducció d'un controlador en mode lliscant que utilitza senyal de control discontínua d'alt ordre, i.e. acceleracions o jerks de les articulacions, per a obtindre un comportament més suau i assegurar l'estabilitat del sistema robòtic, la qual cosa es demostra amb una prova teòrica. - Control per realimentació visual mitjançant PWM i PFM en mètodes completament desacoblats (Capítol 6): es proposa un control discontinu basat en modulació de l'ample i la freqüència del pols per a mètodes completament desacoblats de control per realimentació visual basats en posició, amb l'objectiu d'aconseguir el mateix temps de convergència per als moviments de rotació i translació de la càmera. A més, es presenten també altres resultats obtinguts en aplicacions de control per realimentació visual.Muñoz Benavent, P. (2017). Robot Visual Servoing Using Discontinuous Control [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90430TESI

MULTI-RATE VISUAL FEEDBACK ROBOT CONTROL

[EN] This thesis deals with two characteristic problems in visual feedback robot control: 1) sensor latency; 2) providing suitable trajectories for the robot and for the measurement in the image. All the approaches presented in this work are analyzed and implemented on a 6 DOF industrial robot manipulator or/and a wheeled robot. Focusing on the sensor latency problem, this thesis proposes the use of dual-rate high order holds within the control loop of robots. In this sense, the main contributions are: - Dual-rate high order holds based on primitive functions for robot control (Chapter 3): analysis of the system performance with and without the use of this multi-rate technique from non-conventional control. In addition, as consequence of the use of dual-rate holds, this work obtains and validates multi-rate controllers, especially dual-rate PIDs. - Asynchronous dual-rate high order holds based on primitive functions with time delay compensation (Chapter 3): generalization of asynchronous dual-rate high order holds incorporating an input signal time delay compensation component, improving thus the inter-sampling estimations computed by the hold. It is provided an analysis of the properties of such dual-rate holds with time delay compensation, comparing them with estimations obtained by the equivalent dual-rate holds without this compensation, as well as their implementation and validation within the control loop of a 6 DOF industrial robot manipulator. - Multi-rate nonlinear high order holds (Chapter 4): generalization of the concept of dual-rate high order holds with nonlinear estimation models, which include information about the plant to be controlled, the controller(s) and sensor(s) used, obtained from machine learning techniques. Thus, in order to obtain such a nonlinear hold, it is described a methodology non dependent of the machine technique used, although validated using artificial neural networks. Finally, an analysis of the properties of these new holds is carried out, comparing them with their equivalents based on primitive functions, as well as their implementation and validation within the control loop of an industrial robot manipulator and a wheeled robot. With respect to the problem of providing suitable trajectories for the robot and for the measurement in the image, this thesis presents the novel reference features filtering control strategy and its generalization from a multi-rate point of view. The main contributions in this regard are: - Reference features filtering control strategy (Chapter 5): a new control strategy is proposed to enlarge significantly the solution task reachability of robot visual feedback control. The main idea is to use optimal trajectories proposed by a non-linear EKF predictor-smoother (ERTS), based on Rauch-Tung-Striebel (RTS) algorithm, as new feature references for an underlying visual feedback controller. In this work it is provided both the description of the implementation algorithm and its implementation and validation utilizing an industrial robot manipulator. - Dual-rate Reference features filtering control strategy (Chapter 5): a generalization of the reference features filtering approach from a multi-rate point of view, and a dual Kalman-smoother step based on the relation of the sensor and controller frequencies of the reference filtering control strategy is provided, reducing the computational cost of the former algorithm, as well as addressing the problem of the sensor latency. The implementation algorithms, as well as its analysis, are described.[ES] La presente tesis propone soluciones para dos problemas característicos de los sistemas robóticos cuyo bucle de control se cierra únicamente empleando sensores de visión artificial: 1) la latencia del sensor; 2) la obtención de trayectorias factibles tanto para el robot así como para las medidas obtenidas en la imagen. Todos los métodos propuestos en este trabajo son analizados, validados e implementados utilizando brazo robot industrial de 6 grados de libertad y/o en un robot con ruedas. Atendiendo al problema de la latencia del sensor, esta tesis propone el uso de retenedores bi-frequencia de orden alto dentro de los lazos de control de robots. En este aspecto las principales contribuciones son: -Retenedores bi-frecuencia de orden alto basados en funciones primitivas dentro de lazos de control de robots (Capítulo 3): análisis del comportamiento del sistema con y sin el uso de esta técnica de control no convencional. Además, como consecuencia del empleo de los retenedores, obtención y validación de controladores multi-frequencia, concretamente de PIDs bi-frecuencia. -Retenedores bi-frecuencia asíncronos de orden alto basados en funciones primitivas con compensación de retardos (Capítulo 3): generalización de los retenedores bi-frecuencia asíncronos de orden alto incluyendo una componente de compensación del retardo en la señal de entrada, mejorando así las estimaciones inter-muestreo calculadas por el retenedor. Se proporciona un análisis de las propiedades de los retenedores con compensación del retardo, comparándolas con las obtenidas por sus predecesores sin compensación, así como su implementación y validación en un brazo robot de 6 grados de libertad. -Retenedores multi-frecuencia no lineales de orden alto (Capítulo 4): generalización del concepto de retenedor bi-frecuencia de orden alto con modelos de estimación no lineales, los cuales incluyen información tanto de la planta a controlar, como del controlador(es) y sensor(es) empleado(s), obtenida a partir de técnicas de aprendizaje. Así pues, para obtener dicho retenedor no lineal, se describe una metodología independiente de la herramienta de aprendizaje utilizada, aunque validada con el uso de redes neuronales artificiales. Finalmente se realiza un análisis de las propiedades de estos nuevos retenedores, comparándolos con sus predecesores basados en funciones primitivas, así como su implementación y validación en un brazo robot de 6 grados de libertad y en un robot móvil con ruedas. Por lo que respecta al problema de generación de trayectorias factibles para el robot y para la medida en la imagen, esta tesis propone la nueva estrategia de control basada en el filtrado de la referencia y su generalización desde el punto de vista multi-frecuencial. -Estrategia de control basada en el filtrado de la referencia (Capítulo 5): una nueva estrategia de control se propone para ampliar significativamente el espacio de soluciones de los sistemas robóticos realimentados con sensores de visión artificial. La principal idea es utilizar las trayectorias óptimas obtenidas por una trayectoria predicha por un filtro de Kalman seguido de un suavizado basado en el algoritmo Rauch-Tung-Striebel (RTS) como nuevas referencias para un controlador dado. En este trabajo se proporciona tanto la descripción del algoritmo como su implementación y validación empleando un brazo robótico industrial. -Estrategia de control bi-frecuencia basada en el filtrado de la referencia (Capítulo 5): generalización de la estrategia de control basada en filtrado de la referencia desde un punto de vista multi-frecuencial, con un filtro de Kalman multi-frecuencia y un Kalman-smoother dual basado en la relación existente entre las frecuencias del sensor y del controlador, reduciendo así el coste computacional del algoritmo y, al mismo tiempo, dando solución al problema de la latencia del sensor. La validación se realiza utilizando un barzo robot industria asi[CA] La present tesis proposa solucions per a dos problemes característics dels sistemes robòtics el els que el bucle de control es tanca únicament utilitzant sensors de visió artificial: 1) la latència del sensor; 2) l'obtenció de trajectòries factibles tant per al robot com per les mesures en la imatge. Tots els mètodes proposats en aquest treball son analitzats, validats e implementats utilitzant un braç robot industrial de 6 graus de llibertat i/o un robot amb rodes. Atenent al problema de la latència del sensor, esta tesis proposa l'ús de retenidors bi-freqüència d'ordre alt a dins del llaços de control de robots. Al respecte, les principals contribucions son: - Retenidors bi-freqüència d'ordre alt basats en funcions primitives a dintre dels llaços de control de robots (Capítol 3): anàlisis del comportament del sistema amb i sense l'ús d'aquesta tècnica de control no convencional. A més a més, com a conseqüència de l'ús dels retenidors, obtenció i validació de controladors multi-freqüència, concretament de PIDs bi-freqüència. - Retenidors bi-freqüència asíncrons d'ordre alt basats en funcions primitives amb compensació de retards (Capítol 3): generalització dels retenidors bi-freqüència asíncrons d'ordre alt inclouen una component de compensació del retràs en la senyal d'entrada al retenidor, millorant així les estimacions inter-mostreig calculades per el retenidor. Es proporciona un anàlisis de les propietats dels retenidors amb compensació del retràs, comparant-les amb les obtingudes per el seus predecessors sense la compensació, així com la seua implementació i validació en un braç robot industrial de 6 graus de llibertat. - Retenidors multi-freqüència no-lineals d'ordre alt (Capítol 4): generalització del concepte de retenidor bi-freqüència d'ordre alt amb models d'estimació no lineals, incloent informació tant de la planta a controlar, com del controlador(s) i sensor(s) utilitzat(s), obtenint-la a partir de tècniques d'aprenentatge. Així doncs, per obtindre el retenidor no lineal, es descriu una metodologia independent de la ferramenta d'aprenentatge utilitzada, però validada amb l'ús de rets neuronals artificials. Finalment es realitza un anàlisis de les propietats d'aquestos nous retenidors, comparant-los amb els seus predecessors basats amb funcions primitives, així com la seua implementació i validació amb un braç robot de 6 graus de llibertat i amb un robot mòbil de rodes. Per el que respecta al problema de generació de trajectòries factibles per al robot i per la mesura en la imatge, aquesta tesis proposa la nova estratègia de control basada amb el filtrat de la referència i la seua generalització des de el punt de vista multi-freqüència. - Estratègia de control basada amb el filtrat de la referència (Capítol 5): una nova estratègia de control es proposada per ampliar significativament l'espai de solucions dels sistemes robòtics realimentats amb sensors de visió artificial. La principal idea es la d'utilitzar les trajectòries optimes obtingudes per una trajectòria predita per un filtre de Kalman seguit d'un suavitzat basat en l'algoritme Rauch-Tung-Striebel (RTS) com noves referències per a un control donat. En aquest treball es proporciona tant la descripció del algoritme així com la seua implementació i validació utilitzant un braç robòtic industrial de 6 graus de llibertat. - Estratègia de control bi-freqüència basada en el filtrat (Capítol 5): generalització de l'estratègia de control basada am filtrat de la referència des de un punt de vista multi freqüència, amb un filtre de Kalman multi freqüència i un Kalman-Smoother dual basat amb la relació existent entre les freqüències del sensor i del controlador, reduint així el cost computacional de l'algoritme i, al mateix temps, donant solució al problema de la latència del sensor. L'algoritme d'implementació d'aquesta tècnica, així com la seua validaciSolanes Galbis, JE. (2015). MULTI-RATE VISUAL FEEDBACK ROBOT CONTROL [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/57951TESI

Alignment control using visual servoing and mobilenet single-shot multi-box detection (SSD): a review

The concept is highly critical for robotic technologies that rely on visual feedback. In this context, robot systems tend to be unresponsive due to reliance on pre-programmed trajectory and path, meaning the occurrence of a change in the environment or the absence of an object. This review paper aims to provide comprehensive studies on the recent application of visual servoing and DNN. PBVS and Mobilenet-SSD were chosen algorithms for alignment control of the film handler mechanism of the portable x-ray system. It also discussed the theoretical framework features extraction and description, visual servoing, and Mobilenet-SSD. Likewise, the latest applications of visual servoing and DNN was summarized, including the comparison of Mobilenet-SSD with other sophisticated models. As a result of a previous study presented, visual servoing and MobileNet-SSD provide reliable tools and models for manipulating robotics systems, including where occlusion is present. Furthermore, effective alignment control relies significantly on visual servoing and deep neural reliability, shaped by different parameters such as the type of visual servoing, feature extraction and description, and DNNs used to construct a robust state estimator. Therefore, visual servoing and MobileNet-SSD are parameterized concepts that require enhanced optimization to achieve a specific purpose with distinct tools

Survey of Visual and Force/Tactile Control of Robots for Physical Interaction in Spain

Sensors provide robotic systems with the information required to perceive the changes that happen in unstructured environments and modify their actions accordingly. The robotic controllers which process and analyze this sensory information are usually based on three types of sensors (visual, force/torque and tactile) which identify the most widespread robotic control strategies: visual servoing control, force control and tactile control. This paper presents a detailed review on the sensor architectures, algorithmic techniques and applications which have been developed by Spanish researchers in order to implement these mono-sensor and multi-sensor controllers which combine several sensors

Improving detection of surface discontinuities in visual-force control systms

In this paper, a new approach to detect surface discontinuities in a visual–force control task is described. A task which consists in tracking a surface using visual–force information is shown. In this task, in order to reposition the robot tool with respect to the surface it is necessary to determine the surface discontinuities. This paper describes a new method to detect surface discontinuities employing sensorial information obtained from a force sensor, a camera and structured light. This method has proved to be more robust than previous systems even in situations where high frictions occur