Este trabalho propõe um sistema de manipulação robótica para interação física segura com objetos ou humanos em ambientes não estruturados. A proposta considera a execução de tarefas de manipulação e a prevenção e tratamento de colisões utilizando apenas uma lei de controle, o controle de impedância. A inovação científica consiste em um sistema multifuncional implementado com uma única lei de controle em contraste com os sistemas já existem que utilizam chaveamento entre controladores para cada diferente funcionalidade do sistema, e que apresentam diversas desvantagens como instabilidade e oscilações, aumento da complexidade de programação, entre outras. Inicialmente é proposto um planejador de manipulação e regrasping baseado na combinação de trajetórias suaves e na adaptação dos parâmetros de um controle de impedância em tempo de execução. A mudança da impedância para cada etapa é obtida pela modificação dos parâmetros de inércia, rigidez e amortecimento do controlador. A estabilidade desta mudança dinâmica é possível pela utilização de trajetórias suaves obtidas com planejador Squeezed Screw modificado, cujas trajetórias geradas são livres de descontinuidades na posição e na velocidade. Adicionalmente, a prevenção de colisões é realizada com o auxílio de campos potenciais de forças de repulsão formados pela análise de dados de um sistema de visão também proposto. Estes mesmos dados são utilizados para a construção de um mapa de impedâncias ao redor do objeto cuja finalidade é suavizar efeitos de colisões indesejadas. Experimentos com um robô de arquitetura aberta e com um sistema de visão de baixo custo foram realizados na execução tarefa de manipulação de referência para se avaliar o desempenho da metodologia proposta em diferentes condições de operação encontradas em ambientes não estruturados, como por exemplo: erros de medida de posição, de calibração, ocorrência de colisões, etc. A tarefa de manipulação eleita foi a reorientação em 60° de um objeto circular no plano. Os resultados obtidos nos experimentos mostram a capacidade do controle de impedância associado a trajetórias suaves de realizar a tarefa eleita segundo avaliação utilizando como métricas de desempenho a porcentagem de reorientação, que apresentou uma média de 80% mesmo na presença de erros de medida do sensor de visão e erros de determinação da posição do objeto. / Recent applications in various robotics areas consider interaction between robots and objects or humans in non-structured environments. Under these conditions, in addition to the desire of robots to be able to perform their main tasks, handling, navigation, rehabilitation, etc, it is also desired to prevent and properly handle possible unwanted collisions, whether with objects, with other robots, animals or humans. There are several proposed methods for avoidance, handling and reaction for collisions, however, a widely used strategy is the controller switching between different robot states. There are several drawbacks within this strategy: instability and oscillation, increased programming complexity and consequent increased failure risk, need for different sensors and consequent increase in cost, among others. This work proposes a system applied to the robotic manipulation which is based on only one control law, the impedance control, whose expected capacity is, further performing manipulation tasks, avoidance and handling of potential undesired collisions. It is initially proposed a manipulation planner based the combination of smooth trajectories and the adjustment of parameters an impedance control at runtime. The change of impedance for each phase is achieved by modifying the parameters: mass, spring and damping controller. The stability of this dynamic change is possible by using smooth trajectories obtained with a modified Squeezed Screw trajectory planner, whose paths are discontinuities free in the position and speed. Additionally, collision avoidance is achieved through potential fields the repulsive forces of formed by analysis of data vision. The same data is used to construct an impedance map surrounding the object which objective is collision handling. Experiments with an open architecture robot and a low cost vision system are carried out in the execution of a benchmark manipulation task to evaluate the proposal performance under different operating conditions found in unstructured environments, for example, position measurement errors, calibration problems, occurrence of collisions, among others.

Manipulação robótica em ambientes não estruturados desafia intensamente a comunidade científica. Grandes esforços tem sido empregados em sistemas de visão computacional culminando em resultados notáveis. Entretanto, a informação obtida de sistemas de visão diversas vezes é incompleta, ruidosa e imprecisa devido a limitações técnicas dos sensores empregados ou devido a posição em que o sensor se encontra em relação ao ambiente. Além disso, pouca atenção tem sido destinada a utilização do tato como informação adicional para enriquecer a percepção do ambiente. Este trabalho apresenta um estudo experimental de exploração do ambiente através de contato estável utilizando controle de impedância aplicado a um manipulador robótico. Um framework de manipulação robótica é apresentado e o trabalho é posicionado neste framework na forma de sub-tarefas do mesmo. A descrição do sistema robótico utilizado assim como o detalhamento da implementação de comunicação e controle dos diversos sub-sistemas que o compõem são apresentadas. O trabalho descreve uma série de ensaios experimentais onde o manipulador executa o contato físico com o ambiente. Nestes ensaios é realizada a modificação dos parâmetros do controlador de impedância do manipulador com o objetivo de analisar a influência dos mesmos no resultado. A análise é feita com relação a estabilidade durante o contato e ao erro de acompanhamento de posição após a perda de contato. Em seguida, uma série de estratégias de alteração dos parâmetros do controlador de impedância durante a execução da tarefas é apresentada juntamente com os resultados experimentais e análises comparativas entre elas e os resultados anteriores. O objetivo destas estratégias é melhorar o desempenho e a estabilidade da tarefa garantindo uma medida precisa e estável da posição do objeto no ambiente. A análise dos resultados obtidos mostra que as estratégias efetivamente melhoram o desempenho do sistema em relação aos parâmetros de análise adotados. Finalmente são apresentados os resultados de um teste de repetibilidade da medição da posição de conjunto através da abordagem apresentada. Estes resultados são comparados com resultados de precisão de sistemas de visão computacional. Este teste suporta a conclusão que confirma a viabilidade do método explorado no trabalho. / Robotic manipulation in unstructured environments is a major challenge to the research community. Great efforts are being directed to computational vision systems development and incredible outcome has been achieved. However, the information retrieved from vision systems is often incomplete, noisy or inaccurate due to technical limitations linked to the sensors used in such systems or the positioning of the system in the environment. Furthermore, few attention is been delivered to the application of tactile information to increase the information quality about the environment. This work presents an experimental study about the environment exploration using stable contact and impedance controlled manipulators. A framework for robotic manipulation is presented and this work is positioned in such framework in a tasks and subtasks style. The detailed information about the manipulator system and the implementation is also outlined including all the control levels and communication layers is also outlined. The work describes a series of experimental tests where the manipulator performs physical contact to the environment. The impedance control parameters are than changed aiming to analyse and determine their influence into the observed results. The contact stability and the following error are used as performance indicators. Following such experimental series, four impedance control parameter change strategies are proposed, tested and analysed when performing a task of touching the environment. The results are also compared to the results obtained from the fix parameter tests. The strategies objective is improve the contact stability ensuring a accurate measurement of the environment position. The results show a real improvement of the environment position measurement towards the same measurement when using fixed impedance control parameters. Finally, results from a repeatability test for the results of environment position measurement using the best approach proposed where presented. Such results are compared from the results achieved from vision systems and show a greater performance for the tactile environment exploration approach.

Este trabalho propõe um sistema de manipulação robótica para interação física segura com objetos ou humanos em ambientes não estruturados. A proposta considera a execução de tarefas de manipulação e a prevenção e tratamento de colisões utilizando apenas uma lei de controle, o controle de impedância. A inovação científica consiste em um sistema multifuncional implementado com uma única lei de controle em contraste com os sistemas já existem que utilizam chaveamento entre controladores para cada diferente funcionalidade do sistema, e que apresentam diversas desvantagens como instabilidade e oscilações, aumento da complexidade de programação, entre outras. Inicialmente é proposto um planejador de manipulação e regrasping baseado na combinação de trajetórias suaves e na adaptação dos parâmetros de um controle de impedância em tempo de execução. A mudança da impedância para cada etapa é obtida pela modificação dos parâmetros de inércia, rigidez e amortecimento do controlador. A estabilidade desta mudança dinâmica é possível pela utilização de trajetórias suaves obtidas com planejador Squeezed Screw modificado, cujas trajetórias geradas são livres de descontinuidades na posição e na velocidade. Adicionalmente, a prevenção de colisões é realizada com o auxílio de campos potenciais de forças de repulsão formados pela análise de dados de um sistema de visão também proposto. Estes mesmos dados são utilizados para a construção de um mapa de impedâncias ao redor do objeto cuja finalidade é suavizar efeitos de colisões indesejadas. Experimentos com um robô de arquitetura aberta e com um sistema de visão de baixo custo foram realizados na execução tarefa de manipulação de referência para se avaliar o desempenho da metodologia proposta em diferentes condições de operação encontradas em ambientes não estruturados, como por exemplo: erros de medida de posição, de calibração, ocorrência de colisões, etc. A tarefa de manipulação eleita foi a reorientação em 60° de um objeto circular no plano. Os resultados obtidos nos experimentos mostram a capacidade do controle de impedância associado a trajetórias suaves de realizar a tarefa eleita segundo avaliação utilizando como métricas de desempenho a porcentagem de reorientação, que apresentou uma média de 80% mesmo na presença de erros de medida do sensor de visão e erros de determinação da posição do objeto. / Recent applications in various robotics areas consider interaction between robots and objects or humans in non-structured environments. Under these conditions, in addition to the desire of robots to be able to perform their main tasks, handling, navigation, rehabilitation, etc, it is also desired to prevent and properly handle possible unwanted collisions, whether with objects, with other robots, animals or humans. There are several proposed methods for avoidance, handling and reaction for collisions, however, a widely used strategy is the controller switching between different robot states. There are several drawbacks within this strategy: instability and oscillation, increased programming complexity and consequent increased failure risk, need for different sensors and consequent increase in cost, among others. This work proposes a system applied to the robotic manipulation which is based on only one control law, the impedance control, whose expected capacity is, further performing manipulation tasks, avoidance and handling of potential undesired collisions. It is initially proposed a manipulation planner based the combination of smooth trajectories and the adjustment of parameters an impedance control at runtime. The change of impedance for each phase is achieved by modifying the parameters: mass, spring and damping controller. The stability of this dynamic change is possible by using smooth trajectories obtained with a modified Squeezed Screw trajectory planner, whose paths are discontinuities free in the position and speed. Additionally, collision avoidance is achieved through potential fields the repulsive forces of formed by analysis of data vision. The same data is used to construct an impedance map surrounding the object which objective is collision handling. Experiments with an open architecture robot and a low cost vision system are carried out in the execution of a benchmark manipulation task to evaluate the proposal performance under different operating conditions found in unstructured environments, for example, position measurement errors, calibration problems, occurrence of collisions, among others.

Manipulação robótica em ambientes não estruturados desafia intensamente a comunidade científica. Grandes esforços tem sido empregados em sistemas de visão computacional culminando em resultados notáveis. Entretanto, a informação obtida de sistemas de visão diversas vezes é incompleta, ruidosa e imprecisa devido a limitações técnicas dos sensores empregados ou devido a posição em que o sensor se encontra em relação ao ambiente. Além disso, pouca atenção tem sido destinada a utilização do tato como informação adicional para enriquecer a percepção do ambiente. Este trabalho apresenta um estudo experimental de exploração do ambiente através de contato estável utilizando controle de impedância aplicado a um manipulador robótico. Um framework de manipulação robótica é apresentado e o trabalho é posicionado neste framework na forma de sub-tarefas do mesmo. A descrição do sistema robótico utilizado assim como o detalhamento da implementação de comunicação e controle dos diversos sub-sistemas que o compõem são apresentadas. O trabalho descreve uma série de ensaios experimentais onde o manipulador executa o contato físico com o ambiente. Nestes ensaios é realizada a modificação dos parâmetros do controlador de impedância do manipulador com o objetivo de analisar a influência dos mesmos no resultado. A análise é feita com relação a estabilidade durante o contato e ao erro de acompanhamento de posição após a perda de contato. Em seguida, uma série de estratégias de alteração dos parâmetros do controlador de impedância durante a execução da tarefas é apresentada juntamente com os resultados experimentais e análises comparativas entre elas e os resultados anteriores. O objetivo destas estratégias é melhorar o desempenho e a estabilidade da tarefa garantindo uma medida precisa e estável da posição do objeto no ambiente. A análise dos resultados obtidos mostra que as estratégias efetivamente melhoram o desempenho do sistema em relação aos parâmetros de análise adotados. Finalmente são apresentados os resultados de um teste de repetibilidade da medição da posição de conjunto através da abordagem apresentada. Estes resultados são comparados com resultados de precisão de sistemas de visão computacional. Este teste suporta a conclusão que confirma a viabilidade do método explorado no trabalho. / Robotic manipulation in unstructured environments is a major challenge to the research community. Great efforts are being directed to computational vision systems development and incredible outcome has been achieved. However, the information retrieved from vision systems is often incomplete, noisy or inaccurate due to technical limitations linked to the sensors used in such systems or the positioning of the system in the environment. Furthermore, few attention is been delivered to the application of tactile information to increase the information quality about the environment. This work presents an experimental study about the environment exploration using stable contact and impedance controlled manipulators. A framework for robotic manipulation is presented and this work is positioned in such framework in a tasks and subtasks style. The detailed information about the manipulator system and the implementation is also outlined including all the control levels and communication layers is also outlined. The work describes a series of experimental tests where the manipulator performs physical contact to the environment. The impedance control parameters are than changed aiming to analyse and determine their influence into the observed results. The contact stability and the following error are used as performance indicators. Following such experimental series, four impedance control parameter change strategies are proposed, tested and analysed when performing a task of touching the environment. The results are also compared to the results obtained from the fix parameter tests. The strategies objective is improve the contact stability ensuring a accurate measurement of the environment position. The results show a real improvement of the environment position measurement towards the same measurement when using fixed impedance control parameters. Finally, results from a repeatability test for the results of environment position measurement using the best approach proposed where presented. Such results are compared from the results achieved from vision systems and show a greater performance for the tactile environment exploration approach.