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http://hdl.handle.net/1843/BUOS-AU7HFZ| Type: | Dissertação de Mestrado |
| Title: | Whole-body kinematic control of nonholonomic mobile manipulators using linear programming |
| Authors: | Juan Jose Quiroz Omaña |
| First Advisor: | Bruno Vilhena Adorno |
| First Referee: | Guilherme Augusto Silva Pereira |
| Second Referee: | Vinicius Mariano Goncalves |
| Abstract: | Este trabalho apresenta o estudo e implementação do controle cinemático de robôs baseado em programação linear proposto recentemente por Gonçalves et al. (2016). Este método tem como vantagem a possibilidade de se incluir restrições de igualdade e desigualdade nas entradas de controle do sistema, além de ser computacionalmente eficiente e ter garantia formal de estabilidade. O método foi aplicado a um robô manipulador móvel de base não holonômica e algumas melhorias foram propostas _a formulação original, como a proposta de uma nova função positiva definida dependente da variação do erro para evitar movimentos nas juntas quando o efetuador do robô estabiliza em um ponto diferente do ponto desejado. Além disso, as restrições de não holonomia da base móvel são impostas como restrições de igualdade no programa linear e, portanto, não há necessidade de se utilizar uma estrutura de controle em cascata para realizar o controle de corpo completo. Definiu-se ainda restrições de desigualdade para evitar tanto violações dos limites das juntas quanto colisões com obstáculos. Para garantir um bom desempenho do controlador, a sua implementação foi feita no Robot Operating System (ROS) utilizando-se C++. Além disso, também foi integrado um sistema de visão baseado em sensores RGB-D para reconhecimento de marcadores, cujo objetivo foi de melhorar a odometria da base móvel e detectar obstáculos no espaço de trabalho. Para avaliar o desempenho do controlador, foi apresentada umacomparação com uma estrutura de controle em cascata na qual uma malha interna é usada para lidar com as restrições de não holonomia da base móvel, mediante uma linearização entrada-saída, e uma malha mais externa é usada para lidar com os movimentos do corpo completo usando a pseudo-inversa da matriz Jacobiana de corpo completo. Resultados de simulação e experimentais mostram que o controle baseado na programação linear possui baixo custo computacional, o robô consegue executar tarefas de controle de pose e posição do efetuador sem que haja colisão com obstáculos no plano e sem que haja violação dos limites das juntas do robô manipulador. Porém, o método baseado em programação linear, utilizando-se o algoritmo Simplex, gera sinais de controle mais abruptos do que aqueles gerados pelo controle em cascata baseado na pseudo-inversa da matriz Jacobiana do robô. |
| Abstract: | This work presents the study and implementation of the robot kinematic control strategy based on linear programming recently proposed by Gonçalves et al. (2016). In addition to being computationally efficient, this approach enables the inclusion of inequality and equality constraints in the system control inputs and has formal guarantee of stability. This method was applied to a nonholonomic mobile manipulator and some improvements were proposed to the original formulation, such as the addition of a new positive definite function of the error variation to avoid joint movements when the robot end effector stabilizes at a point different from the desired one. In addition, nonholonomic constraints of the mobile base are imposed as equality constraints in the linear program and therefore there is no need to use a cascade control structure to perform whole body control. Inequality constraints were also defined to avoid both violation of joint limits and collisions with obstacles. To guarantee a good performance, the controller was implemented on the Robot Operating System (ROS) using C++. In addition, a computer vision system based on RGB-D sensors for marker recognition was also integrated into the experimental testbed with the goal of improving robot localization and detecting obstacles in the workspace. In order to evaluate the controller performance, a comparison was made with a cascade control structure in which an inner loop is used to deal with the nonholonomic constraints of the mobile base by using an input-output linearization and an outer loop is used to tackle the whole-body motion by using the pseudoinverse of the whole-body Jacobian matrix. Simulation and experimental results show that the controller based on linear programming has low computational cost, and the robot is able to control its end effector without colliding with obstacles in the plane and without violating its joints limits. However, when using the Simplex algorithm the method based on linear programming generates more abrupt control signals than those generated by the cascade controller based on the pseudoinverse of the robot Jacobian matrix. |
| Subject: | Programação linear Engenharia elétrica Sistemas dinamicos não holonômicos Robôs Sistemas de controle Cinemática |
| language: | Outros |
| Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Publisher Initials: | UFMG |
| Rights: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/BUOS-AU7HFZ |
| Issue Date: | 3-Mar-2017 |
| Appears in Collections: | Dissertações de Mestrado |
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