Made available in DSpace on 2014-06-11T19:34:58Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-05Bitstream added on 2014-06-13T20:06:00Z : No. of bitstreams: 1 nunes_lenp_dr_guara.pdf: 1711475 bytes, checksum: 1ea89d3a534a0a1530a9ef0a0ba7cb3e (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho trata da geração e otimização de trajetórias de um manipulador robótico planar (2D) de três graus de liberdade, num ambiente livre de obstáculos. Visto que a cinemática inversa de braços robóticos é um problema complexo que, em geral, geram múltiplas soluções, otimizam-se, aqui, estas soluções através de algoritmos genéticos (AGs). A função de avaliação do AG tem caráter multi-objetivo, de forma a minimizar os deslocamentos angulares e obter de forma precisa a posição da garra, usando funções desenvolvidas para o ambiente Matlab, tais como, GAOT e PLANMANT, devido a sua facilidade de programação e geração de gráficos. A seguir, foram obtidos resultados através de programa desenvolvido em linguagem C, utilizando a biblioteca GAUL, e tem-se avaliado o desempenho computacional de processamento. E finalmente, para a validação experimental deste estudo, tem-se implementado este procedimento em um manipulador robótico Robix RCS-6 de configuração similar ao modelo simulado. Os resultados mostram que o método implementado é eficiente, computacionalmente rápido e viável em aplicações reais. / This work treats of the generation and optimization of trajectories for a planar robotic manipulator (2D) of three degrees of freedom, in free environment obstacles. Since the inverse kinematics of robotic arms are a complex problem that, generally, generate multiple solutions, here are optimized these solutions through genetic algorithms (AGs). The evaluation function of the AG has multi-objective character which minimize the angular displacements and the positional errors, being used functions developed for the Matlab environment, such as, GAOT and PLANMANT, due its compliance of programming and graphics generation. Immediately, results were obtained through program developed in language C, using the GAUL library. The computational processing performance has been evaluated. And finally, for the experimental validation of this study, has been implemented this procedure in a robotic manipulator Robix RCS-6 of similar configuration to the simulated model. The results show that the implemented method is efficient, and computationally fast and viable in real applications. KEYWORDS: Robotic manipulator, Optimal trajectory, Inverse kinematics, Genetic algorithm.

Resumo: Este trabalho trata da geração e otimização de trajetórias de um manipulador robótico planar (2D) de três graus de liberdade, num ambiente livre de obstáculos. Visto que a cinemática inversa de braços robóticos é um problema complexo que, em geral, geram múltiplas soluções, otimizam-se, aqui, estas soluções através de algoritmos genéticos (AGs). A função de avaliação do AG tem caráter multi-objetivo, de forma a minimizar os deslocamentos angulares e obter de forma precisa a posição da garra, usando funções desenvolvidas para o ambiente Matlab, tais como, GAOT e PLANMANT, devido a sua facilidade de programação e geração de gráficos. A seguir, foram obtidos resultados através de programa desenvolvido em linguagem C, utilizando a biblioteca GAUL, e tem-se avaliado o desempenho computacional de processamento. E finalmente, para a validação experimental deste estudo, tem-se implementado este procedimento em um manipulador robótico Robix RCS-6 de configuração similar ao modelo simulado. Os resultados mostram que o método implementado é eficiente, computacionalmente rápido e viável em aplicações reais. / Abstract: This work treats of the generation and optimization of trajectories for a planar robotic manipulator (2D) of three degrees of freedom, in free environment obstacles. Since the inverse kinematics of robotic arms are a complex problem that, generally, generate multiple solutions, here are optimized these solutions through genetic algorithms (AGs). The evaluation function of the AG has multi-objective character which minimize the angular displacements and the positional errors, being used functions developed for the Matlab environment, such as, GAOT and PLANMANT, due its compliance of programming and graphics generation. Immediately, results were obtained through program developed in language C, using the GAUL library. The computational processing performance has been evaluated. And finally, for the experimental validation of this study, has been implemented this procedure in a robotic manipulator Robix RCS-6 of similar configuration to the simulated model. The results show that the implemented method is efficient, and computationally fast and viable in real applications. KEYWORDS: Robotic manipulator, Optimal trajectory, Inverse kinematics, Genetic algorithm. / Orientador: Victor Orlando Gamarra Rosado / Coorientador: Francisco José Grandinetti / Banca: Mauro Pedro Peres / Banca: Luiz Octavio Mattos dos Reis / Banca: José Rui Camargo / Banca: Carlos Alberto Chavez / Doutor

Industrial robots rapidly gained popularity as they can perform tasks quickly, repeatedly and accurately in static environments. However, in modern manufacturing, robots should also be able to safely interact with arbitrary objects and dynamically adapt their behavior to various situations. The large masses and rigid constructions of industrial robots prevent them from easily being re-tasked. In this context, this work proposes an immediate solution to make rigid manipulators compliant and able to efficiently handle object interactions, with only an add-on module (a custom designed instrumented compliant wrist) and an original control framework which can easily be ported to different manipulators. The proposed system utilizes both offline and online trajectory planning to achieve fully automated object interaction and surface following with or without contact where no prior knowledge of the objects is available. To minimize the complexity of the task, the problem is formulated into four interaction motion modes: free, proximity, contact and a blend of those. The free motion mode guides the robot towards the object of interest using information provided by a RGB-D sensor. The RGB-D sensor is used to collect raw 3D information on the environment and construct an approximate 3D model of an object of interest in the scene. In order to completely explore the object, a novel coverage path planning technique is proposed to generate a primary (offline) trajectory. However, RGB-D sensors provide only limited accuracy on the depth measurements and create blind spot when it reaches close to surfaces. Therefore, the offline trajectory is then further refined by applying the proximity motion mode and contact motion mode or a blend of them (blend motion mode) that allow the robot to dynamically interact with arbitrary objects and adapt to the surfaces it approaches or touches using live proximity and contact feedback from the compliant wrist. To achieve seamless and efficient integration of the sensory information and smoothly switch between different interaction modes, an original hybrid switching scheme is proposed that applies a supervisory (decision making) module and a mixture of hard and blend switches to support data fusion from multiple sensing sources by combining pairs of the main motion modes. Experimental results using a CRS-F3 manipulator demonstrate the feasibility and performance of the proposed method.

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This dissertation discusses an implementation of a design, control and motion planning for a novel extendable modular redundant robotic manipulator in space constraints, which robots may encounter for completing required tasks in small and constrained environment. The design intent is to facilitate the movement of the proposed robotic manipulator in constrained environments, such as rubble piles. The proposed robotic manipulator with multi Degree of Freedom (m-DOF) links is capable of elongating by 25% of its nominal length. In this context, a design optimization problem with multiple objectives is also considered. In order to identify the benefits of the proposed design strategy, the reachable workspace of the proposed manipulator is compared with that of the Jet Propulsion Laboratory (JPL) serpentine robot. The simulation results show that the proposed manipulator has a relatively efficient reachable workspace, needed in constrained environments. The singularity and manipulability of the designed manipulator are investigated. In this study, we investigate the number of links that produces the optimal design architecture of the proposed robotic manipulator. The total number of links decided by a design optimization can be useful distinction in practice. Also, we have considered a novel robust bio-inspired Sliding Mode Control (SMC) to achieve favorable tracking performance for a class of robotic manipulators with uncertainties. To eliminate the chattering problem of the conventional sliding mode control, we apply the Brain Emotional Learning Based Intelligent Control (BELBIC) to adaptively adjust the control input law in sliding mode control. The on-line computed parameters achieve favorable system robustness in process of parameter uncertainties and external disturbances. The simulation results demonstrate that our control strategy is effective in tracking high speed trajectories with less chattering, as compared to the conventional sliding mode control. The learning process of BLS is shown to enhance the performance of a new robust controller. Lastly, we consider the potential field methodology to generate a desired trajectory in small and constrained environments. Also, Obstacle Collision Avoidance (OCA) is applied to obtain an inverse kinematic solution of a redundant robotic manipulator.

Robotic haptics has been and continues to be an area of intense research, primarily in medical and exploration industries. This is due to an ability to provide high data throughput between human and machine. In medical applications, it is possible to detect and compensate errors such as a hand tremor in a surgeon. It is possible to apply scaling factors to assist in microsurgery situations, and can allow leading experts to perform procedures from anywhere on the globe. As part of a collaboration to develop a robotic method of femur fracture realignment between Auckland University, Auckland District Health Board, and Massey University, the project seeks to provide a haptic driven HMI for the realignment system. To reduce construction required, an existing manipulation arm (Mitsubishi RV-M1) is used as the hardware interface device. A new motor controller is designed to provide additional functionality as the standard controller provides no force control or real-time feedback of position. A software interface is developed (using version 3 of the C# programming language, developed by Microsoft, and version 3.5 of the Microsoft .NET Framework) with the ultimate specification of becoming being the primary interface platform for the realignment system. The interface has been implemented to the point of providing a simulated environment for the haptic device. It was found that the configuration of the RV-M1 provides a tight area of high dexterity as a haptic device, and as such, similar kinematic configurations are poor candidates for practical implementation. The implication of which, is that a new manipulator should be designed which grants a larger volume of high dexterity space.

Este trabalho aborda o desenvolvimento da estrutura da base e do sistema de acionamento, transmissão e controle do 1º grau de liberdade de um robô cilíndrico de 5 graus de liberdade acionado pneumaticamente. A base é construída com alumínio estruturado de elevada rigidez, o que confere a sua estrutura mecânica baixas deformações em situações de operação do robô. Além de constituir a estrutura de apoio do manipulador, a base serve de repositório para diversos componentes de sensoriamento e comando dos diversos graus de liberdade do robô e ainda apresenta elementos estruturais que são utilizados como acumuladores de ar comprimido que servem para atenuar as flutuações de pressão nos atuadores pneumáticos. O 1º grau de liberdade do robô, de acordo com a concepção de um robô cilíndrico, é relativo ao giro do conjunto de elos do manipulador em torno do eixo vertical. O seu movimento é comandado por um atuador pneumático linear acoplado a um eixo rotativo por uma correia sincronizadora. O controlador proposto é baseado na técnica de realimentação de estados com alocação de polos e compensa a variação do momento de inércia do manipulador devida ao movimento do robô. Este esquema é baseado em um modelo matemático parametrizado que provê continuamente o valor de massa equivalente acoplada ao primeiro grau de atuador de liberdade. Assim, a cada ciclo de controle, os ganhos do controlador são recalculados a partir do valor atual da massa equivalente, visando a compensar sua variação. São apresentados resultados experimentais e discussões sobre o cálculo da massa equivalente e desempenho do controlador no seguimento de trajetória. / This work deals with the design of the base frame, drive, transmission and control systems used in the first degree of freedom of a pneumatically actuated cylindrical robot with five degrees of freedom. The base is constructed with high stiffness aluminum parts, which achieve low mechanical deformation in operational working conditions. Furthermore, the base structure in used as sensor and pneumatic components compartment and comprises aluminum structural elements that are used as accumulators compressed air used for reducing the pressure fluctuations on the pneumatic actuators operation. The first degree of freedom, according to the usual design of a cylindrical robot, is relative to the rotation of the manipulator arm around its vertical axis. This degree of freedom is controlled by a linear pneumatic actuator coupled to a rotary axis mechanism by an industrial synchronous belt. The proposed controller is based on the state feedback technique with pole location and compensates the variation of the moment of inertia of the manipulator due to the motion of the robot. This scheme is based on a parameterized mathematical model that continuously provides the equivalent mass value coupled to the first degree of freedom actuator. So, in each control cycle, the controller gains are recalculated on the basis of the equivalent mass, compensating its variation. Results of experiments and discussions about the equivalent mass calculation and controller performance are presented.

Este trabalho aborda o desenvolvimento da estrutura da base e do sistema de acionamento, transmissão e controle do 1º grau de liberdade de um robô cilíndrico de 5 graus de liberdade acionado pneumaticamente. A base é construída com alumínio estruturado de elevada rigidez, o que confere a sua estrutura mecânica baixas deformações em situações de operação do robô. Além de constituir a estrutura de apoio do manipulador, a base serve de repositório para diversos componentes de sensoriamento e comando dos diversos graus de liberdade do robô e ainda apresenta elementos estruturais que são utilizados como acumuladores de ar comprimido que servem para atenuar as flutuações de pressão nos atuadores pneumáticos. O 1º grau de liberdade do robô, de acordo com a concepção de um robô cilíndrico, é relativo ao giro do conjunto de elos do manipulador em torno do eixo vertical. O seu movimento é comandado por um atuador pneumático linear acoplado a um eixo rotativo por uma correia sincronizadora. O controlador proposto é baseado na técnica de realimentação de estados com alocação de polos e compensa a variação do momento de inércia do manipulador devida ao movimento do robô. Este esquema é baseado em um modelo matemático parametrizado que provê continuamente o valor de massa equivalente acoplada ao primeiro grau de atuador de liberdade. Assim, a cada ciclo de controle, os ganhos do controlador são recalculados a partir do valor atual da massa equivalente, visando a compensar sua variação. São apresentados resultados experimentais e discussões sobre o cálculo da massa equivalente e desempenho do controlador no seguimento de trajetória. / This work deals with the design of the base frame, drive, transmission and control systems used in the first degree of freedom of a pneumatically actuated cylindrical robot with five degrees of freedom. The base is constructed with high stiffness aluminum parts, which achieve low mechanical deformation in operational working conditions. Furthermore, the base structure in used as sensor and pneumatic components compartment and comprises aluminum structural elements that are used as accumulators compressed air used for reducing the pressure fluctuations on the pneumatic actuators operation. The first degree of freedom, according to the usual design of a cylindrical robot, is relative to the rotation of the manipulator arm around its vertical axis. This degree of freedom is controlled by a linear pneumatic actuator coupled to a rotary axis mechanism by an industrial synchronous belt. The proposed controller is based on the state feedback technique with pole location and compensates the variation of the moment of inertia of the manipulator due to the motion of the robot. This scheme is based on a parameterized mathematical model that continuously provides the equivalent mass value coupled to the first degree of freedom actuator. So, in each control cycle, the controller gains are recalculated on the basis of the equivalent mass, compensating its variation. Results of experiments and discussions about the equivalent mass calculation and controller performance are presented.

Este trabalho consiste na elaboração de uma estratégia para a geração de trajetórias otimizadas para um robô cilíndrico de cinco graus de liberdade acionado pneumaticamente. Como resultado da aplicação do método desenvolvido obtêm-se as trajetórias no espaço das juntas que resultam no movimento adequado do efetuador do robô, de acordo com algum critério de otimização. Para a obtenção das trajetórias das juntas do robô a partir de uma dada trajetória desejada para o efetuador, resolveu-se o problema de cinemática inversa por meio de uma abordagem algébrica. Para a geração de trajetórias entre os pontos no espaço de trabalho do robô propõe-se a utilização de um algoritmo de aproximação de pontos através de splines compostas por polinômios de sétimo grau. Essa escolha garante a continuidade da função de posição, bem como de suas três primeiras derivadas, sendo essa uma condição necessária para a implantação de importantes leis e estratégias de controle (como, por exemplo, a estratégia em cascata, utilizada com sucesso no controle de sistemas servopneumáticos). O método proposto para a geração de splines possibilita, através do ajuste de parâmetros em função da exigência de cada aplicação, a obtenção de curvas no espaço das juntas com valores otimizados de jerk, aceleração ou velocidade. Para aplicação na geração de trajetórias para o robô, a interpolação dos pontos é realizada no espaço dos atuadores a fim de fornecer ao controlador as curvas de referência para posição, velocidade, aceleração e jerk. Para a demonstração da aplicação do método no seguimento de trajetórias, são utilizadas como referência curvas tridimensionais cujos valores numéricos são comparados com os resultados fornecidos a partir da metodologia proposta. Assim, uma vez calculadas as trajetórias em cada uma das juntas através da cinemática inversa, utiliza-se as transformações homogêneas da cinemática direta do robô, obtidas a partir do método de Denavit-Hartenberg, para obter a trajetória do efetuador e verificar a funcionalidade do modelo resultante. / This work consists of developing a strategy to generate optimized trajectories for a cylindrical robot with five degrees of freedom which is actuated pneumatically. As a result of the application of the developed method, trajectories in joint space are obtained and result in the proper motion of the robot’s end-effector according to a given optimizing criteria. In order to obtain the trajectories of the robot’s joints from a given desired trajectory for the end-effector, the problem of inverse kinematics was solved by an algebraic approach. To generate trajectories between points in the robot’s workspace it was proposed the use of an algorithm for approximation of points through splines composed by seventh degrees polynomials. This choice ensures the continuity of the position function as well as its first three derivatives. It is a necessary condition for the implementation of important laws and control strategies (for example, the cascade strategy which is successfully used in servo-pneumatic control systems). The proposed method to generate splines allows, through the adjustment of parameters taking into account the requirements of each application, the obtainment of curves in the joint space with optimized values of jerk, acceleration and speed. In order to apply the method in the generation of trajectories for the robot, the interpolation of the points is performed in the space of the actuators with the purpose of providing the controller reference curves for position, speed, acceleration and jerk. To demonstrate the application of the method in trajectory tracking, three-dimensional curves are used and their numerical values are compared with the results provided by the proposed methodology. Therefore, once the calculated trajectory in each joint through inverse kinematics is obtained, homogeneous transformations of the direct kinematics of the robot, obtained by Denavit-Hartenberg’s method, are employed to find out the trajectory of the end-effector and verify the functionality of the resulting model.

Este trabalho aborda o desenvolvimento da estrutura da base e do sistema de acionamento, transmissão e controle do 1º grau de liberdade de um robô cilíndrico de 5 graus de liberdade acionado pneumaticamente. A base é construída com alumínio estruturado de elevada rigidez, o que confere a sua estrutura mecânica baixas deformações em situações de operação do robô. Além de constituir a estrutura de apoio do manipulador, a base serve de repositório para diversos componentes de sensoriamento e comando dos diversos graus de liberdade do robô e ainda apresenta elementos estruturais que são utilizados como acumuladores de ar comprimido que servem para atenuar as flutuações de pressão nos atuadores pneumáticos. O 1º grau de liberdade do robô, de acordo com a concepção de um robô cilíndrico, é relativo ao giro do conjunto de elos do manipulador em torno do eixo vertical. O seu movimento é comandado por um atuador pneumático linear acoplado a um eixo rotativo por uma correia sincronizadora. O controlador proposto é baseado na técnica de realimentação de estados com alocação de polos e compensa a variação do momento de inércia do manipulador devida ao movimento do robô. Este esquema é baseado em um modelo matemático parametrizado que provê continuamente o valor de massa equivalente acoplada ao primeiro grau de atuador de liberdade. Assim, a cada ciclo de controle, os ganhos do controlador são recalculados a partir do valor atual da massa equivalente, visando a compensar sua variação. São apresentados resultados experimentais e discussões sobre o cálculo da massa equivalente e desempenho do controlador no seguimento de trajetória. / This work deals with the design of the base frame, drive, transmission and control systems used in the first degree of freedom of a pneumatically actuated cylindrical robot with five degrees of freedom. The base is constructed with high stiffness aluminum parts, which achieve low mechanical deformation in operational working conditions. Furthermore, the base structure in used as sensor and pneumatic components compartment and comprises aluminum structural elements that are used as accumulators compressed air used for reducing the pressure fluctuations on the pneumatic actuators operation. The first degree of freedom, according to the usual design of a cylindrical robot, is relative to the rotation of the manipulator arm around its vertical axis. This degree of freedom is controlled by a linear pneumatic actuator coupled to a rotary axis mechanism by an industrial synchronous belt. The proposed controller is based on the state feedback technique with pole location and compensates the variation of the moment of inertia of the manipulator due to the motion of the robot. This scheme is based on a parameterized mathematical model that continuously provides the equivalent mass value coupled to the first degree of freedom actuator. So, in each control cycle, the controller gains are recalculated on the basis of the equivalent mass, compensating its variation. Results of experiments and discussions about the equivalent mass calculation and controller performance are presented.