Έλεγχος Δυναμικής Εμπέδησης Επιδέξιας Ρομποτικής Λαβής στο Πλαίσιο του Χειριζόμενου Αντικειμένου

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετούμε το θέμα της επιδέξιας ρομποτικής λαβής (dexterous robotic grasping) και συγκεκριμένα το θέμα του επιδέξιου ρομποτικού χειρισμού (dexterous robotic manipulation) μέσω ανθρωπομορφικής διάταξης παράλληλων κινηματικών αλυσίδων. Ο επιδέξιος ρομποτικός χειρισμός έχει ως βασικό στόχο την επίτευξη οποιασδήποτε θέσης και προσανατολισμού του χειριζόμενου αντικειμένου μέσα στο χώρο εργασίας του ρομποτικού χειριστή με ταυτόχρονο έλεγχο των εσωτερικών δυνάμεων.

Αρχικά παρουσιάζουμε μία βιβλιογραφική επισκόπηση πάνω στα βασικά θέματα του επιδέξιου ρομποτικού χειρισμού, σκιαγραφώντας τις κυρίαρχες τάσεις και τεχνικές, δίνοντας κυρίως έμφαση στα θέματα ελέγχου. Στη συνέχεια προχωρούμε στη δόμηση περιβάλλοντος προσομοίωσης φυσικής πολλών σωμάτων (Multibody Dynamics) και διαχείρισης φαινομένων συγκρούσεων (Collision Dynamics), το οποίο βασίζεται στη βιβλιοθήκη ανοικτού κώδικα Open Dynamics Engine (ODE) η οποία καλείται μέσω ειδικά προσαρμοσμένου MEX C++ S-Function Block του Simulink. Μέσα σε αυτό το περιβάλλον προσομοίωσης μοντελοποιούμε ρομποτικό χέρι κατά τα κινηματικά--δυναμικά πρότυπα του DLR Hand 2. Το συγκεκριμένο περιβάλλον αποτελεί την πλατφόρμα πάνω στην οποία εν συνεχεία: (α) υλοποιήθηκε το σύνολο των δυναμικών ελεγκτών που αναπτύχθηκαν και μελετώνται, στο πλαίσιο της παρούσης εργασίας, και (β) εκτελέστηκαν όλες οι πειραματικές δοκιμές που παρουσιάζονται και αναλύονται στην παρούσα εργασία.

Σε θεωρητικό επίπεδο, στην παρούσα εργασία εφαρμόζουμε ένα ολοκληρωμένο σχήμα μηχανικής εμπέδησης (impedance) βασιζόμενο στη παθητική ιδιότητα της ρομποτικής λαβής, το οποίο ορίζει πλήρως τη στατική--δυναμική συμπεριφορά καθώς και τις εσωτερικές δυνάμεις του αντικειμένου με ταυτόχρονη διαχείριση των πλεοναζόντων βαθμών ελευθερίας μέσω ορισμού υποεργασίας στο χώρο των δακτύλων. Η ανάλυση επίδοσης της τεχνικής αυτής οδηγεί στο συμπέρασμα ότι το συγκεκριμένο σχήμα ελέγχου ρομποτικής λαβής παρουσιάζει ορισμένες αδυναμίες, όπως: εμφάνιση μόνιμων σφαλμάτων θέσης, ασυνέπειες ως προς την οριζόμενη μηχανικής ακαμψία, καθώς και πιθανότητα ολισθήσεων για ορισμένες γεωμετρίες αντικειμένων. Τέλος, ο συγκεκριμένος ελεγκτής μηχανικής εμπέδησης ρομποτικής λαβής επεκτείνεται με τον ορισμό και όρου βαρυτικής αντιστάθμισης, με στόχο τον μηδενισμό των σφαλμάτων τοποθέτησης που οφείλονται στη βαρυτική επίδραση του χειριζόμενου αντικειμένου. Τα αποτελέσματα των δοκιμών που εκτελέσθηκαν, επί της πλατφόρμας προσομοίωσης που αναφέρθηκε ανωτέρω, δείχνουν την αποτελεσματικότητα των συγκεκριμένων τεχνικών ελέγχου ρομποτικής λαβής.

This diploma thesis deals with the subject of dexterous robotic manipulation with anthropomorphic robotic hand (comprising opposing kinematic chains). The goal of any dexterous robotic manipulation task is to achieve a desired pose (position / orientation) for the manipulated object by means of the internal coordinated motion of the robotic fingers within the workspace of the hand, along with achieving absolute control of the internal grasping forces.

This diploma thesis starts by presenting a literature survey covering the major issues in the field of dexterous robotic manipulation, outlining the state-of-the-art with particular focus on the control design for robot grasping. This work is based on a custom-adapted dynamic simulation platform, using features from the Open Dynamics Engine (ODE) open source API, in particular: physics-based simulation, multi-body dynamics and collision detection and handling. These features are integrated within a Simulink environment using a custom-modified MEX C++ Function Block. Within this simulation platform, a robot hand has been modeled and dynamically simulated based on the kinematic and dynamic characteristics of the DLR Hand II.

From a theoretical point of view, in this work we apply an integrated passivity-based impedance control scheme to achieve stable robot grasping by properly defining the static and dynamic properties along with the internal forces on the manipulated object. In addition, we deal with the redundant degrees of freedom of the hand, by exploiting the null-space of the fingers task-space.

Analyzing the performance of this robot-grasping control scheme leads to the conclusion that it presents certain drawbacks, namely: steady-state positioning errors, inconsistencies regarding the definition of a decoupled stiffness matrix, as well as increased risk of potential contact slippage for specific object geometries. In this diploma thesis, we propose an extension of this passivity-based object-level impedance control scheme, aiming to control more efficiently the internal grasping forces, using information based on the local object surface geometry properties. The goal is to reduce steady-state errors, as well as to mitigate the effect of coupling between independent degrees of freedom, in order to produce a more consistent object-level grasping stiffness matrix and to achieve better control of the contact forces inside the friction cones constraints, thus reducing slippage possibility. Finally, this impedance control scheme is further extended by introducing an active gravity-compensation term, aiming to minimize any static errors that may be due to the effect of the manipulated object's weight. Simulation results, obtained by conducting extensive trials within the dynamic simulation platform described above, demonstrate the efficacy of the proposed robot grasping control scheme and the improved object-level impedance characteristics achieved.