The doctoral thesis discusses current options for the navigation of unmanned ground vehicles with a focus on achieving high absolute compliance of the required motion trajectory and the obtained one. The current possibilities of key self-localization methods, such as global satellite navigation systems, inertial navigation systems, and odometry, are analyzed. The description of the navigation method, which allows achieving a centimeter-level accuracy of the required trajectory tracking with the above mentioned self-localization methods, forms the core of the thesis. The new navigation method was designed with regard to its very simple parameterization, respecting the limitations of the used robot drive configuration. Thus, after an appropriate parametrization of the navigation method, it can be applied to any drive configuration. The concept of the navigation method allows integrating and using more self-localization systems and external navigation methods simultaneously. This increases the overall robustness of the whole process of the mobile robot navigation. The thesis also deals with the solution of cooperative convoying heterogeneous mobile robots. The proposed algorithms were validated under real outdoor conditions in three different experiments.

La technologie de programmation hors-ligne permet la génération de la trajectoire complexe en projection thermique. Dans le laboratoire du LERMPS, une extension logicielle appelée « Thermal Spray Toolkit » (T.S.T.) a été développée pour assister la programmation hors-ligne dans le domaine de projection thermique. Cependant, les efforts sont encore attendus pour améliorer sa fonctionnalité. Donc, l'objectif de cette thèse est d'améliorer l'application de la programmation hors-ligne en projection thermique. Selon la procédure d'application, les travaux de cette thèse se composent de trois parties.Premièrement, les efforts sont dévoués à l'amélioration du module « PathKit » dans T.S.T., afin d'optimiser la fonctionnalité de la génération de la trajectoire. L'algorithme pour la génération de la trajectoire sur le substrat courbe a été étudié pour assurer le pas de balayage constant. Une nouvelle trajectoire « spirale d'Archimède » a été développé pour réparer les défauts par la projection à froid. La réparation sur une pièce d'aluminium avec un défaut a été réalisé pour valider la trajectoire spirale d'Archimède. Deuxièmement, les modélisations ont été développées pour simuler l'épaisseur du dépôt en 2D et en 3D. Puis, Ils sont intégrés dans le logiciel RobotStudioTM comme un module individuel dit « ProfileKit ». Dans le « ProfileKit 2D », il peut évaluer les effets des paramètres opératoires sur le profil du dépôt et puis optimiser les paramètres. Dans le « ProfileKit 3D », l'épaisseur du dépôt peut être simulée selon la trajectoire du robot et la cinématique du robot.Les fonctionnalités sont validées par un dépôt de forme trapézoïdal élaboré par la projection à froid avec les pas debalayage variés.Dernièrement, l'analyse cinématique du robot a été étudiée pour optimiser la performance du robot pendant le processus de projection. Afin de mieux évaluer la performance du robot, un paramètre « overall parameter » (OP), la moyenne pondérée d'écart-type de la vitesse articulaire est introduit pour mesurer la complexité de la trajectoire du robot. Ensuite, l'optimisation du montage de la torche ainsi que l'optimisation de la disposition de la pièce sont étudiées par l'analyse cinématique du robot et le paramètre OP. Le résultat montre que l'optimisation cinématique peut efficacement améliorer la performance du robot pour maintenir la vitesse prédéfinie. / The offline programming technology provides the possibility to generate complex robot trajectories in thermal spray process. In the laboratory of LERMPS, an add-in software called “Thermal SprayToolkit” (T.S.T.) has been developed to assist the offline programming in the field of thermal spray.However, efforts are still expected to improve the functionality of this software. The aim of this study is to improve the application of offline programming technology in the thermal spray process. According to the procedure of the offline programming in thermal spray, the work of this thesis consists of three parts.Firstly, efforts have been dedicated to improve the module “PathKit” in T.S.T., which aim to improve the functionality of trajectory generation. The algorithm of trajectory generation for the curved substrate surface was improved to maintain a constant scan step. A novel Archimedean spiral trajectory was developed for damage component recovery application by cold spray. The experiment of an Al5056 coating depositing on a manually manufactured workpiece with a crater defect was carried out to validate the effects of spiral trajectory with adapted nozzle speed.Secondly, numerical models were developed to simulate the coating thickness distribution in 2D and 3D, and then integrated in the RobotStudio™ as an individual module named “ProfileKit”. In the “ProfileKit 2D”, it is able to evaluate the effects of operating parameters on coating profile and optimize the parameters. In the “ProfileKit 3D”, coating thickness distribution can be simulated based on the nozzle trajectory and robot kinematics data. The functionalities were validated by the trapezoid coldsprayed coating.At last, kinematic analysis was used to provide the optimization methods for a better robot performance in thermal spraying. In order to better evaluate the robot performance, an overall parameter (OP) that is the weighted mean of standard deviation of joint speed, was introduced to measure the complexity of a robot trajectory. Afterwards, the optimal nozzle mounting method as well as the optimal workpiece placement were investigated by the kinematic analysis and the overall parameter. The result shows that the kinematic optimization can effectively improve the robot performance to maintain the predefined speed.

[ES] Uno de los elementos más importantes en el sistema de control de un robot es su Modelo Cinemático Inverso (IKM, por sus siglas en inglés), el cual calcula las referencias de posición y velocidad requeridas para que dicho robot pueda seguir una trayectoria. Los métodos más comúnmente empleados para la síntesis del IKM de sistemas robotizados de cadena cinemática abierta dependen fuertemente de la geometría del robot, por lo que no son procedimientos sistemáticos que puedan ser aplicados uniformemente en todas las situaciones. Este proyecto presenta el desarrollo de un procedimiento sistemático para la síntesis del IKM completo de sistemas robotizados no redundantes de cadena cinemática abierta usando la teoría de Bases de Groebner, el cual no depende de la geometría del robot. Las entradas del procedimiento desarrollado son los parámetros de Denavit-Hartenberg del robot y el rango de movimiento de sus actuadores, mientras que la salida es el IKM sintetizado, listo para ser usado en el sistema de control del robot o en una simulación de su funcionamiento. El desempeño del procedimiento desarrollado fue demostrado sintetizando los IKMs de un manipulador PUMA y un hexápodo caminante. Los tiempos de ejecución de ambos IKMs son comparables con los requeridos por los modelos cinemáticos calculados por procedimientos tradicionales, y los errores de las referencias que ofrecen como salida son totalmente despreciables. Los IKMs sintetizados son completos, porque no sólo ofrecen las referencias de posición para todos los actuadores del robot, sino que también calculan las correspondientes referencias de velocidades y aceleraciones de dichos actuadores, por lo que el procedimiento desarrollado puede ser empleado en una amplia variedad de sistemas robotizados. / [CA] Un dels elements més importants en el sistema de control d'un robot és el seu Model Cinemàtic Invers (IKM, per les seues sigles en anglés), el qual calcula les referències de posició i velocitat requerides perquè aquest robot puga seguir una trajectòria. Els mètodes més comunament emprats per a la síntesi del IKM de sistemes robotitzats de cadena cinemàtica oberta depenen fortament de la geometria del robot analitzat, per la qual cosa no són procediments sistemàtics que puguen ser aplicats uniformement en totes les situacions. Aquest projecte presenta el desenvolupament d'un procediment sistemàtic per a la síntesi del IKM complet de sistemes robotitzats no redundants de cadena cinemàtica oberta usant la teoria de Bases de Groebner, el qual no depén de la geometria del robot. Les entrades del procediment desenvolupat són els paràmetres de Denavit-Hartenberg del robot i el rang de moviment dels seus actuadors, mentre que l'eixida és el IKM sintetitzat, llest per a ser usat en el sistema de control del robot o en una simulació del seu funcionament. L'acompliment del procediment desenvolupat va ser demostrat sintetitzant els IKMs d'un manipulador PUMA i un robot caminante. Els temps d'execució de tots dos IKMs són comparables amb els requerits pels models cinemàtics calculats per procediments tradicionals, i els errors de les referències que ofereixen com a eixida són totalment menyspreables. Els IKMs sintetitzats són complets, perquè no sols ofereixen les referències de posició per a tots els actuadors del robot, sinó que també calculen les corresponents referències de velocitats i acceleracions d'aquests actuadors, per la qual cosa el procediment desenvolupat pot ser emprat en una àmplia varietat de sistemes robotitzats. / [EN] One of the most important elements of a robot's control system is its Inverse Kinematic Model (IKM), which calculates the position and velocity references required by the robot's actuators to follow a trajectory. The methods that are commonly used to synthesize the IKM of open-chain robotic systems strongly depend on the geometry of the analyzed robot, so they are not systematic procedures that can be applied equally in all situations. This project presents the development of a systematic procedure to synthesize the complete IKM of non-redundant open-chain robotic systems using Groebner Basis theory, which does not depend on the robot's geometry. The inputs to the developed procedure are the robot's Denavit-Hartenberg parameters and the movement range of its actuators, while the output is the IKM, ready to be used in the robot's control system or in a simulation of its behavior. This procedure's performance was proved synthesizing the IKMs of a PUMA manipulator and a walking hexapod robot. The computation times of both IKMs are comparable to those required by the kinematic models calculated by traditional methods, while the errors of their computed references were absolutely negligible. The synthesized IKMs are complete in the sense that they not only supply the position reference for all the robot's actuators, but also the corresponding references for their velocities and accelerations, so the developed procedure can be used in a wide range of robotic systems. / Guzmán Giménez, J. (2022). Synthesis of the Complete Inverse Kinematic Model of Non-Redundant Open-Chain Robotic Systems using Groebner Basis Theory [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181632