Ελεγχος δύναμης και θέσης βραχίονα με κινηματικές αβεβαιότητες στην επιφάνεια επαφής

Abstract

The core problem in robotic tasks that require the robot end-effector interaction with its environment, is the control of both robot motion and interaction force. The thesis deals with the problem of force/motion control under surface kinematic uncertainties that practically arise when the manipulator interacts with objects of unknown geometrical characteristics (flat or curved surfaces) or known objects with unknown position in the robot workspace. Initially, the thesis studies the distortion of the desired force/position trajectories that occurs in cases of surface position and orientation uncertainties. Furthermore, the thesis investigates the effect of kinematic uncertainty introduced by the erroneous estimate of the surface normal direction on the stability and steady state errors of the controlled system for the parallel and hybrid control schemes as well as for a proposed adaptive controller which considers constant estimates. The aforementioned controllers using constant and erroneous estimates of the surface normal direction cannot achieve the actual control target. The other proposed control schemes are designed based on online estimates of the surface normal direction that converge to their actual values enabling the convergence of the actual force/position errors to zero. The surface slope learning can be regarded as the most important contribution of this thesis in the force/position control design problem in contrast with other schemes that use accurate or approximate calculation of the surface slope from force or force/velocities measurements. In particular, the following force/motion control schemes are proposed: a) a force/position regulator for compliant contact without using force measurements, b) a force/motion tracking controller for compliant contact using feedback of the normal force magnitude and c) a force/motion tracking controller for rigid contact using force/torque measurements; the latter can be applied also in case of compliant contact for the force regulation and position trajectory tracking problem. The asymptotic stability of the control system equilibrium is proved by using Lyapunov theory and simulation studies show the performance and robustness of the proposed controllers in operating conditions met in practical applications.

Ο έλεγχος της κίνησης του άκρου και της δύναμης επαφής αποτελεί το βασικό πρόβλημα στις εφαρμογές που απαιτούν την αλληλεπίδραση ενός ρομποτικού βραχίονα με το περιβάλλον. Η διδακτορική διατριβή διαπραγματεύεται το πρόβλημα ελέγχου δύναμης και θέσης υπό το καθεστώς αβεβαιοτήτων στην επιφάνεια επαφής οι οποίες ανακύπτουν όταν το ρομπότ αλληλεπιδρά με αντικείμενα άγνωστων γεωμετρικών χαρακτηριστικών (επίπεδα ή καμπύλα) ή γνωστών γεωμετρικών χαρακτηριστικών που έχουν τοποθετηθεί τυχαία στο χώρο ελέγχου. Αρχικά, περιγράφεται ο τρόπος που οι εσφαλμένες εκτιμήσεις του προσανατολισμού και της θέσης της επιπέδου διαφοροποιούν τις επιθυμητές τροχιές δύναμης και κίνησης. Επιπρόσθετα, διερευνάται η επίδραση των κινηματικών αβεβαιοτήτων, και συγκεκριμένα της αβεβαιότητας που εισάγεται από την εσφαλμένη εκτίμηση του κάθετου στην επιφάνεια ανύσματος, στην ευστάθεια του συστήματος κλειστού βρόχου και τα σφάλματα μόνιμης κατάστασης για τον παράλληλο και τον υβριδικό έλεγχο αλλά και για ένα προτεινόμενο ελεγκτή που μηδενίζει το εκτιμώμενο σφάλμα θέσης. Οι ελεγκτές αυτοί καθώς χρησιμοποιούν σταθερές εσφαλμένες εκτιμήσεις του κάθετου στην επιφάνεια ανύσματος, δεν είναι ικανοί να επιτύχουν τους στόχους ελέγχου. Στη συνέχεια εισάγονται στη σχεδίαση ελέγχου προσαρμοζόμενες εκτιμήσεις του κάθετου στην επιφάνεια ανύσματος. Οι εκτιμήσεις αυτές αποτελούν παραμέτρους του ελεγκτή και η εκμάθηση των πραγματικών τιμών τους αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι της ακριβούς ικανοποίησης των στόχων ελέγχου. Η σχεδίαση ελεγκτών με εκμάθηση των παραμέτρων της κλίσης είναι η σημαντικότερη συμβολή της διατριβής και διαφέρει από τις συμβατικές μεθόδους ελέγχου οι οποίες θεωρούν ότι υπολογίζουν με ακρίβεια ή προσεγγιστικά την κλίση της επιφάνειας επαφής χρησιμοποιώντας μετρήσεις δύναμης ή δύναμης και ταχύτητας. Συγκεκριμένα προτείνονται: α) ένας ρυθμιστής δύναμης και θέσης για ελαστική επαφή ο οποίος δεν απαιτεί μετρήσεις δύναμης, β) ένας ελεγκτής παρακολούθησης τροχιάς για ελαστική επαφή, ο οποίος χρησιμοποιεί ανάδραση μέτρου κάθετης δύναμης και γ) ένας ελεγκτής παρακολούθησης τροχιάς για ανελαστική επαφή, ο οποίος χρησιμοποιεί μετρήσεις συνολικής δύναμης/ροπής και μπορεί να εφαρμοστεί και στην περίπτωση ελαστικής επαφής όταν απαιτείται ρύθμιση δύναμης. Η ευστάθεια του συστήματος κλειστού βρόχου με εφαρμογή των προτεινόμενων ελεγκτών αναλύεται θεωρητικά με χρήση της θεωρίας Lyapunov ενώ η επίδοση τους μελετάται προσομοιακά, αναδεικνύοντας την ευρωστία τους σε πρακτικές συνθήκες λειτουργίας.