Έλεγχος συνεργατικών ρομπότ για ασφαλή λειτουργία και υποβοηθούμενη κιναισθητική καθοδήγηση με χρήση δυναμικών συστημάτων και επιβολή περιορισμών

Abstract

This thesis focuses on a subset of the problems related to the control of cooperative robots and proposes novel solutions. More specifically, regarding safety during autonomous operation, this thesis examines a) the robust on-line automatic motion generation in the dynamic environment of human-robot collaboration, b) the imposition of constraints for collision avoidance and c) the compliance variation for resolving the problem of the competing requirements of motion performance and compliance (problem of concurrent safety and performance). For addressing on-line motion generation, this thesis mainly proposes a variant of the dynamical system DMP, for which the minimum required number of kernels is proven to be computable based on the desired accuracy of encoding or the desired bandwidth. Regarding collision avoidance during autonomous operation, a control signal is proposed, which is based on the prescribed performance control methodology and guarantees that the constraints will be respected (obstacles and joint limits). Regarding the case of intentional physical human-robot interaction (full cooperation), this thesis studies the imposition of Virtual Fixtures (or Active Constraints) utilizing artificial potential fields and proposes novel control laws a) for avoiding mechanical limits of the robot, b) for avoiding forbidden (or sensitive) areas and c) for the guidance of the human user in cases partial knowledge of the task is available. Finally, control laws for assisting the learning and progressive modification of the kinematic behavior of the robot are proposed. The control laws aim at: a) assisting the user towards the modification of segments of the kinematic behavior, b) the kinesthetic progressive automation of a task, and c) the fast adaptation of kinematic behaviors which encode harmonic oscillations to the forces exerted by the user. The proposed control laws of the thesis are experimentally validated and compared with state-of-the-art methods, utilizing the KUKA LWR4+ robotic arm.

Η παρούσα διατριβή μελετά ένα υποσύνολο των προβλημάτων που εμπλέκει ο έλεγχος των συνεργατικών ρομπότ, για τα οποία προτείνει καινοτόμες λύσεις. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια της διατήρησης της ασφάλειας κατά την αυτόνομη λειτουργία του ρομπότ, η διατριβή μελετά α) την εύρωστη παραγωγή κίνησης στο δυναμικό περιβάλλον της συνεργασίας ανθρώπου-ρομπότ, β) την επιβολή περιορισμών για την αποφυγή σύγκρουσης, όπως και γ) την μεταγωγή της υποχωρητικότητας για την επίλυση του ταυτόχρονου προβλήματος ασφάλειας-επίδοσης. Για την παραγωγή κίνησης σε πραγματικό χρόνο προτείνεται κυρίως μια παραλλαγή των δυναμικών συστημάτων DMP, σύμφωνα με την οποία αποδεικνύεται πως το ελάχιστο απαιτούμενο πλήθος πυρήνων μπορεί να προκαθοριστεί με βάση την επιθυμητή ακρίβεια κωδικοποίησης ή το επιθυμητό εύρος ζώνης. Για την αποφυγή της σύγκρουσης, προτείνονται σήματα που βασίζονται στην μεθοδολογία προδιαγεγραμμένης επίδοσης, τα οποία εγγυώνται την τήρηση των περιορισμών (εμπόδια και όρια των αρθρώσεων). Για την περίπτωση της ηθελημένης φυσικής αλληλεπίδρασης ανθρώπου-ρομπότ (πλήρης συνεργασία), η διατριβή μελετά την επιβολή αυστηρών εικονικών περιορισμών μέσω τεχνητών δυναμικών πεδίων και προτείνει καινοτόμους νόμους ελέγχου α) για την αποφυγή μηχανικών ορίων του ρομπότ, β) για την αποφυγή απαγορευμένων περιοχών και γ) για την υποβοήθηση του χρήστη σε περιπτώσεις που υπάρχει μερική γνώση της εργασίας που πρόκειται να εκτελεστεί. Τέλος, προτείνονται νόμοι ελέγχου για την υποβοήθηση του χρήστη κατά την κιναισθητική εκπαίδευση και σταδιακή προσαρμογή της κινηματικής συμπεριφοράς του ρομπότ. Οι νόμοι ελέγχου αυτοί έχουν ως σκοπό: α) την υποβοήθηση για την τροποποίηση τμήματος της κινηματικής συμπεριφοράς, β) την κιναισθητική σταδιακή αυτοματοποίηση εργασίας, όπως και γ) την προσαρμογή ταλαντωτικής κινηματικής συμπεριφοράς στις δυνάμεις που ασκούνται από τον χρήστη. Οι προτεινόμενοι νόμοι ελέγχου της διατριβής επαληθεύονται και συγκρίνονται πειραματικά χρησιμοποιώντας τον ρομποτικό βραχίονα KUKA LWR4+.