Ευσταθής λαβή και μεταβίβαση φορτίου αντικειμένου από ρομπότ σε άνθρωπο

Abstract

The thesis deals with the problem of grasping by robotic hands as well as the human-robot haptic interaction during object load transfer. A passivity-based stable grasping control law for unknown object weight is exploited and extended in order to be used in the design of two strategies for the safe and natural human-robot object load transfer which takes place in the direction of the gravity field. The controller is extended with respect to the desired grasping force and the object's mass that is allocated to the respective hand. The extension is based on human studies on the grasping and load forces that are developed by the giver and receiver. The first object load transfer strategy is initiated by the giver who linearly decreases its load and grip forces until the full release of the object’s load. It is assumed that the receiver estimates the load transfer successfully and adapts its grip forces accordingly to achieve an efficient object transfer, ie. the receiver is either a cooperative and healthy human or a robot. In case the receiver is not a fully responsive participant and does not or cannot instantly accept the released load, the force exchange is not linear and as a result the object slips from the grasp since the receiver's behaviour is not taken into account. The second strategy is receiver initiated and it involves a rich haptic interaction between the hands. In this strategy, the giver is a stably grasping robotic hand that follows closely the receiver’s lead and ensures haptically that the receiver has stably grasped the object before opening its grip. Therefore, the receiver can be anyone from a fully cooperative robot to an insufficiently responsive human. Theoretical design and validation via simulations are presented for both strategies, demonstrating the advantages of the receiver initiated strategy. This strategy is generalized for cases where the robot's fingers do not possess rolling capabilities on the object's surface and for cases where the load transfer does not take place in the direction of the gravity field. The strategy is also integrated with an arm motion controller to complete the hand-over procedure and is validated by both simulations and experimental results. Consequently, the control law used in the object load transfer strategies is extended for a weightless object in order to achieve control objectives regarding the optimal grasping force which may vary for different kinds of objects or the robot's subsequent desired task following the stable object grasp. This is achieved by controlling the fingers' desired relative orientation in the rolling direction by the a priori optimization of the internal force manipulability ellipsoid. Theoretical design and validation via both simulations and experimental results are presented for the proposed controller, demonstrating its effectiveness. Last, the grasping controller is extended to the three dimensional space where the fingers' desired relative orientation is controlled with respect to two rolling directions on the contact surface. The definition of these directions determines the in-hand object manipulability. Simulation results are presented that validate the theoretical analysis.

Η διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τα προβλήματα της λαβής αντικειμένων από ρομποτικά χέρια και της απτικής αλληλεπίδρασης μεταξύ ανθρώπου και ρομπότ κατά τη μεταβίβαση φορτίου αντικειμένων. Συγκεκριμένα, επεκτείνεται ένας νόμος ελέγχου ευσταθούς λαβής για άγνωστο βάρος αντικειμένου, ώστε να χρησιμοποιηθεί για τη σχεδίαση δύο στρατηγικών για την ασφαλή και φυσική μεταβίβαση του φορτίου ενός αντικειμένου μεταξύ ανθρώπου και ρομπότ στην περίπτωση όπου αυτή πραγματοποιείται στη διεύθυνση του πεδίου της βαρύτητας. Η επέκταση γίνεται ως προς την επιθυμητή δύναμη λαβής και τη μάζα του αντικειμένου σε κάθε χέρι, με βάση ανθρώπινες μελέτες που έχουν γίνει για τις δυνάμεις λαβής και φορτίου που αναπτύσσονται από το δότη και το δέκτη. Η πρώτη στρατηγική προϋποθέτει η ανταλλαγή δυνάμεων να γίνεται αυστηρά γραμμικά και με το ρυθμό που ορίζει ο δότης και επομένως προϋποθέτει ο δέκτης να είναι ένας πλήρως συνεργάσιμος και υγιής άνθρωπος ή ρομπότ. Σε αντίθετη περίπτωση το αντικείμενο μπορεί να ολισθαίνει στα δάχτυλα του ρομπότ-δότη καθώς αυτή η στρατηγική δε λαμβάνει υπόψη τη συμπεριφορά του δέκτη και επομένως προτείνεται για εφαρμογή σε μεταβιβάσεις αντικειμένου μεταξύ δύο ρομπότ ή από άνθρωπο-δότη σε ρομπότ-δέκτη. Στη δεύτερη στρατηγική ο δότης περιμένει την εκκίνηση της μεταβίβασης του φορτίου από το δέκτη και παρακολουθεί την μεταβίβαση του φορτίου μέσω απτικών ερεθισμάτων καθόλη τη διάρκεια της διαδικασίας έτσι ώστε να εξασφαλιστεί η ασφαλής μεταφορά του αντικειμένου και επομένως μπορεί να εφαρμοστεί και σε περιπτώσεις που ο δέκτης είναι άνθρωπος ο οποίος δεν ακολουθεί την ονομαστική γραμμική μεταφορά του φορτίου λόγω ηλικίας ή άλλων προβλημάτων κίνησης. Παρουσιάζονται η θεωρητική ανάλυση και τα προσομοιακά αποτελέσματα και για τις δύο στρατηγικές, όπου αναδεικνύονται τα πλεονεκτήματα της δεύτερης στρατηγικής. Η δεύτερη προτεινόμενη στρατηγική γενικεύεται για περιπτώσεις όπου τα δάχτυλα του χεριού που χρησιμοποιείται στο ρομπότ δεν διαθέτουν δυνατότητα κύλισης πάνω στην επιφάνεια του αντικειμένου και για τις περιπτώσεις όπου η μεταβίβαση του φορτίου δεν πραγματοποιείται στη διεύθυνση του πεδίου της βαρύτητας. Συνδέεται επίσης με ελεγκτή κίνησης βραχίονα για την ολοκλήρωση της διαδικασίας παράδοσης αντικειμένου και επικυρώνεται μέσω προσομοιακών αλλά και πειραματικών αποτελεσμάτων. Η επιτυχία της προτεινόμενης στρατηγικής μεταβίβασης φορτίου βασίζεται στην ύπαρξη ενός νόμου ελέγχου λαβής και ενός εκτιμητή μάζας του αντικειμένου. Ο νόμος ελέγχου που χρησιμοποιήθηκε στις στρατηγικές μεταβίβασης φορτίου επεκτείνεται στη συνέχεια για αβαρές αντικείμενο, έτσι ώστε να επιτυγχάνονται επιπλέον στόχοι πέραν της ευσταθούς λαβής, οι οποίοι αφορούν τη βέλτιστη δύναμη λαβής που απαιτείται ανάλογα με το αντικείμενο ή και ταυτόχρονα σχετίζονται με το ακόλουθο επιδιωκόμενο έργο του ρομπότ αφού έχει πιάσει πρώτα το αντικείμενο. Αυτό επιτυγχάνεται με τη ρύθμιση του επιθυμητού σχετικού προσανατολισμού των δακτύλων προς την κατεύθυνση κύλισης μέσω της εκ των προτέρων βελτιστοποίησης του ελλειψοειδούς δυνητικής δύναμης λαβής. Παρουσιάζεται η θεωρητική ανάλυση για τον προτεινόμενο ελεγκτή και επικυρώνεται μέσω προσομοιακών και πειραματικών αποτελεσμάτων. Τέλος, ο νόμος ελέγχου λαβής επεκτείνεται στον τρισδιάστατο χώρο όπου η ρύθμιση του επιθυμητού σχετικού προσανατολισμού των δακτύλων πραγματοποιείται προς δύο κατευθύνσεις κύλισης πάνω στην επιφάνεια επαφής. Ο ορισμός των δύο αυτών κατευθύνσεων καθορίζει τον τρόπο χειρισμού του αντικειμένου εντός του χεριού. Παρουσιάζονται προσομοιακά αποτελέσματα που επικυρώνουν τη θεωρητική ανάλυση.