Optimal object configurations to minimize the positioning error in visual servoing

Image noise unavoidably affects the available image points that are used in visual-servoing schemes to steer a robot end-effector toward a desired location. As a consequence, letting the image points in the current view converge to those in the desired view does not ensure that the camera converges accurately to the desired location. This paper investigates the selection of object configurations to minimize the worst-case positioning error due to the presence of image noise. In particular, a strategy based on linear matrix inequalities (LMIs) and barrier functions is proposed to compute upper and lower bounds of this error for a given maximum error of the image points. This strategy can be applied to problems such as selecting an optimal subset of object points or determining an optimal position of an object in the scene. Some examples illustrate the use of the proposed strategy in such problems. © 2010 IEEE.published_or_final_versio

Visual servo control on a humanoid robot

Includes bibliographical referencesThis thesis deals with the control of a humanoid robot based on visual servoing. It seeks to confer a degree of autonomy to the robot in the achievement of tasks such as reaching a desired position, tracking or/and grasping an object. The autonomy of humanoid robots is considered as crucial for the success of the numerous services that this kind of robots can render with their ability to associate dexterity and mobility in structured, unstructured or even hazardous environments. To achieve this objective, a humanoid robot is fully modeled and the control of its locomotion, conditioned by postural balance and gait stability, is studied. The presented approach is formulated to account for all the joints of the biped robot. As a way to conform the reference commands from visual servoing to the discrete locomotion mode of the robot, this study exploits a reactive omnidirectional walking pattern generator and a visual task Jacobian redefined with respect to a floating base on the humanoid robot, instead of the stance foot. The redundancy problem stemming from the high number of degrees of freedom coupled with the omnidirectional mobility of the robot is handled within the task priority framework, allowing thus to achieve con- figuration dependent sub-objectives such as improving the reachability, the manipulability and avoiding joint limits. Beyond a kinematic formulation of visual servoing, this thesis explores a dynamic visual approach and proposes two new visual servoing laws. Lyapunov theory is used first to prove the stability and convergence of the visual closed loop, then to derive a robust adaptive controller for the combined robot-vision dynamics, yielding thus an ultimate uniform bounded solution. Finally, all proposed schemes are validated in simulation and experimentally on the humanoid robot NAO

Real-Time Visual Servo Control of Two-Link and Three DOF Robot Manipulator

This project presents experimental results of position-based visual servoing control process of a 3R robot using 2 fixed cameras. Visual servoing concerns several field of research including vision systems, robotics and automatic control. This method deal with real time changes in the relative position of the target-object with respect to robot. It is have good accuracy with independency of Manipulator servo control structure from the target pose coordinates are the additional advantages of this method. The applications of visually guided systems are many: from intelligent homes to automotive industry. Visual servoing are also useful for a wide range of applications and it can be used to control many different systems (manipulator arms, mobile robots, aircraft, etc.). Visual servoing systems are generally divide depends on the number of camera, on the position of the camera with respect to the robot, on the design of the error function to robot. This project presents an approach for visual robot control. Existing approaches are increased in such a way that depth and position information of block or object is estimate during the motion of the robot. That is done by the visual tracking of an object throughout the trajectory. Vision designed robotics has been a major research area for more time. However, one of the open and commonly problems in the area is the requirement for exchange of the experiences and ideas. We also include a number of real–time examples from our own research. Forward and inverse kinematics of 3 DOF robot have been done then experiments on image processing, object shape recognition and pose estimation as well as target-block or object in Cartesian system and visual control of robot manipulator have been prescribed. Experimental results obtained from real-time system implementation of visual servo control and tests of 3DOF robot in lab

Visual guidance of unmanned aerial manipulators

The ability to fly has greatly expanded the possibilities for robots to perform surveillance, inspection or map generation tasks. Yet it was only in recent years that research in aerial robotics was mature enough to allow active interactions with the environment. The robots responsible for these interactions are called aerial manipulators and usually combine a multirotor platform and one or more robotic arms. The main objective of this thesis is to formalize the concept of aerial manipulator and present guidance methods, using visual information, to provide them with autonomous functionalities. A key competence to control an aerial manipulator is the ability to localize it in the environment. Traditionally, this localization has required external infrastructure of sensors (e.g., GPS or IR cameras), restricting the real applications. Furthermore, localization methods with on-board sensors, exported from other robotics fields such as simultaneous localization and mapping (SLAM), require large computational units becoming a handicap in vehicles where size, load, and power consumption are important restrictions. In this regard, this thesis proposes a method to estimate the state of the vehicle (i.e., position, orientation, velocity and acceleration) by means of on-board, low-cost, light-weight and high-rate sensors. With the physical complexity of these robots, it is required to use advanced control techniques during navigation. Thanks to their redundancy on degrees-of-freedom, they offer the possibility to accomplish not only with mobility requirements but with other tasks simultaneously and hierarchically, prioritizing them depending on their impact to the overall mission success. In this work we present such control laws and define a number of these tasks to drive the vehicle using visual information, guarantee the robot integrity during flight, and improve the platform stability or increase arm operability. The main contributions of this research work are threefold: (1) Present a localization technique to allow autonomous navigation, this method is specifically designed for aerial platforms with size, load and computational burden restrictions. (2) Obtain control commands to drive the vehicle using visual information (visual servo). (3) Integrate the visual servo commands into a hierarchical control law by exploiting the redundancy of the robot to accomplish secondary tasks during flight. These tasks are specific for aerial manipulators and they are also provided. All the techniques presented in this document have been validated throughout extensive experimentation with real robotic platforms.La capacitat de volar ha incrementat molt les possibilitats dels robots per a realitzar tasques de vigilància, inspecció o generació de mapes. Tot i això, no és fins fa pocs anys que la recerca en robòtica aèria ha estat prou madura com per començar a permetre interaccions amb l’entorn d’una manera activa. Els robots per a fer-ho s’anomenen manipuladors aeris i habitualment combinen una plataforma multirotor i un braç robòtic. L’objectiu d’aquesta tesi és formalitzar el concepte de manipulador aeri i presentar mètodes de guiatge, utilitzant informació visual, per dotar d’autonomia aquest tipus de vehicles. Una competència clau per controlar un manipulador aeri és la capacitat de localitzar-se en l’entorn. Tradicionalment aquesta localització ha requerit d’infraestructura sensorial externa (GPS, càmeres IR, etc.), limitant així les aplicacions reals. Pel contrari, sistemes de localització exportats d’altres camps de la robòtica basats en sensors a bord, com per exemple mètodes de localització i mapejat simultànis (SLAM), requereixen de gran capacitat de còmput, característica que penalitza molt en vehicles on la mida, pes i consum elèctric son grans restriccions. En aquest sentit, aquesta tesi proposa un mètode d’estimació d’estat del robot (posició, velocitat, orientació i acceleració) a partir de sensors instal·lats a bord, de baix cost, baix consum computacional i que proporcionen mesures a alta freqüència. Degut a la complexitat física d’aquests robots, és necessari l’ús de tècniques de control avançades. Gràcies a la seva redundància de graus de llibertat, aquests robots ens ofereixen la possibilitat de complir amb els requeriments de mobilitat i, simultàniament, realitzar tasques de manera jeràrquica, ordenant-les segons l’impacte en l’acompliment de la missió. En aquest treball es presenten aquestes lleis de control, juntament amb la descripció de tasques per tal de guiar visualment el vehicle, garantir la integritat del robot durant el vol, millorar de l’estabilitat del vehicle o augmentar la manipulabilitat del braç. Aquesta tesi es centra en tres aspectes fonamentals: (1) Presentar una tècnica de localització per dotar d’autonomia el robot. Aquest mètode està especialment dissenyat per a plataformes amb restriccions de capacitat computacional, mida i pes. (2) Obtenir les comandes de control necessàries per guiar el vehicle a partir d’informació visual. (3) Integrar aquestes accions dins una estructura de control jeràrquica utilitzant la redundància del robot per complir altres tasques durant el vol. Aquestes tasques son específiques per a manipuladors aeris i també es defineixen en aquest document. Totes les tècniques presentades en aquesta tesi han estat avaluades de manera experimental amb plataformes robòtiques real

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

Visual servoing path planning for cameras obeying the unified model

This paper proposes a path planning visual servoing strategy for a class of cameras that includes conventional perspective cameras, fisheye cameras and catadioptric cameras as special cases. Specifically, these cameras are modeled by adopting a unified model recently proposed in the literature and the strategy consists of designing image trajectories for eye-in-hand robotic systems that allow the robot to reach a desired location while satisfying typical visual servoing constraints. To this end, the proposed strategy introduces the projection of the available image features onto a virtual plane and the computation of a feasible image trajectory through polynomial programming. Then, the computed image trajectory is tracked by using an image-based visual servoing controller. Experimental results with a fisheye camera mounted on a 6-d.o.f. robot arm are presented in order to illustrate the proposed strategy. © 2012 Copyright Taylor & Francis and The Robotics Society of Japan.postprin

Realtime tracking and grasping of a moving object from range video

In this paper we present an automated system that is able to track and grasp a moving object within the workspace of a manipulator using range images acquired with a Microsoft Kinect sensor. Realtime tracking is achieved by a geometric particle filter on the affine group. Based on the tracked output, the pose of a 7-DoF WAM robotic arm is continuously updated using dynamic motor primitives until a distance measure between the tracked object and the gripper mounted on the arm is below a threshold. Then, it closes its three fingers and grasps the object. The tracker works in real-time and is robust to noise and partial occlusions. Using only the depth data makes our tracker independent of texture which is one of the key design goals in our approach. An experimental evaluation is provided along with a comparison of the proposed tracker with state-of-the-art approaches, including the OpenNI-tracker. The developed system is integrated with ROS and made available as part of IRI's ROS stack.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft

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