Kinesthetic guidance and kinematic control of bimanual mobile robot for object manipulation under constraints

Abstract

This dissertation aims to address the challenges in control, kinesthetic teaching and sensor-driven control for grape harvesting with mobile bimanual robots in which the current state of the art is limited. Safe and efficient motion generation in mobile bimanual robots is addressed by proposing a hierarchical inverse kinematics framework that integrates joint limit avoidance, collision avoidance, and manipulability optimization within a constrained optimization formulation. By handling constraints automatically, the framework enables to focus on the task rather than the associated constraints. The proposed methodology was validated with different tasks and robot setups. To facilitate intuitive kinesthetic demonstration of bimanual tasks, a passive shared-control methodology is introduced that exploits task geometry to construct virtual fixtures in the relative space, enabling simultaneous guidance of both arms during demonstrations, by reducing the cognitive and physical load the user experiences. The proposed controller was validated via a user study showing considerable improvements over a typical gravity compensation controller. In the context of bimanual grape harvesting, a human-inspired strategy for stem unveiling and optimal stem viewing along with a grape manipulation technique to improve cutting affordances is proposed. The proposed approaches are validated experimentally, both in the lab and in the real field confirming their effectiveness.

Η συγκεκριμένη διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των προκλήσεων που υπάρχουν στο έλεγχο, την κιναισθητική καθοδήγηση και στην οδηγούμενη από αισθητήρια ρομποτική συγκομιδή σταφυλιών στα δίχειρα αυτοκινούμενα ρομπότ, για τις οποίες η τρέχουσα βιβλιογραφία είναι ελλιπής. Για την παραγωγή κίνησης σε ένα δίχειρο αυτοκινούμενο ρομπότ με ασφάλεια και αποδοτικότητα προτείνεται ένα ιεραρχικό πλαίσιο βελτιστοποίησης, το οποίο ενσωματώνει περιορισμούς ασφαλείας, όπως αποφυγή συγκρούσεων και ορίων των αρθρώσεων, και βελτιστοποίηση μετρικών χειρισιμότητας. Αντιμετωπίζοντας αυτούς τους περιορισμούς με αυτόν τον τρόπο, το προτεινόμενο πλαίσιο μας επιτρέπει να επικεντρωνόμαστε κάθε φορά στην επιτελούμενη εργασία, και όχι στους περιορισμούς του υπόλοιπου ρομποτικού συστήματος. Η προτεινόμενη μεθοδολογία επαληθεύθηκε και αξιολογήθηκε πειραματικά σε διάφορα ρομποτικά συστήματα και εργασίες. Επιπλέον, για την υποβοήθηση στην κιναισθητική καθοδήγηση δίχειρων εργασιών προτείνεται ένας παθητικός ελεγκτής επιμερισμένου ελέγχου ο οποίος, αξιοποιώντας την γνώση σχετικά με τη γεωμετρία της εκτελούμενης εργασίας, ορίζει τεχνητά δυναμικά πεδία στον σχετικό χώρο. Έτσι, επιτρέπει την καθοδήγηση και των δύο ρομποτικών βραχιόνων ταυτόχρονα, καθώς μειώνει τον νοητικό και σωματικό φόρτο του ανθρώπου. Η προτεινόμενη μεθοδολογία επαληθεύθηκε και αξιολογήθηκε πειραματικά επιδεικνύοντας σημαντική βελτίωση συγκριτικά με έναν απλό ελεγκτή αντιστάθμισης βαρύτητας. Τέλος, για το πρόβλημα της συγκομιδής σταφυλιών με δύο χέρια, προτείνεται μια μεθοδολογία ελέγχου για δίχειρα ρομπότ εμπνευσμένη από τον άνθρωπο. Η μεθοδολογία βελτιώνει την ανίχνευση του μίσχου αντιμετωπίζοντας τα εμπόδια γύρω του τόσο οπτικά όσο και με χειρισμό, επιτρέποντας την κοπή του. Η αποτελεσματικότητα των μεθοδολογιών αυτών επαληθεύθηκε και αξιολογήθηκε πειραματικά σε εργαστηριακές και πραγματικές συνθήκες σε αμπελώνα.