Closed-loop admittance and motion control strategies for safe robotic manipulation tasks subject to contacts

Abstract

A presente tese contribui para o campo de manipulação de tarefas que envolvem contato com o ambiente, focando em segurança. Para este fim, uma arquitetura de controle é proposta onde há um controlador de admitância em um laço externo, que altera a trajetória de referência do efetuador a fim de atingir o comportamento complacente desejado, e um controlador de movimento em um laço interno, usado para acompanhar esta trajetória. Mais especificamente, um controlador de admitância de seis graus de liberdade no espaço da tarefa usando o mapeamento logarítmico de quatérnios duais é desenvolvido para impor uma impedância desejada aparente no robô. O controlador acopla a impedância de translação e de rotação em uma única estrutura matemática, ele é projetado baseado na energia do sistema, e a matriz de rigidez é construída para ser consistente com o geometria da tarefa. Além disso, a formulação é livre de obstrução topológica e uma solução para o fenômeno de unwinding baseado em uma função chaveada do erro é apresentada. Em relação ao laço interno, a escolha do controlador de movimento deve levar em conta o tipo de atuação do robô (velocidade/posição ou torque), e a disponibilidade do modelo do robô. Se o robô é atuado em torque, um controlador de pose apropriado para interações físicas é geralmente baseado na dinâmica do robô, uma vez que isso permite uma análise mais precisa e ajuda na sítese do comportamento dinâmico do mesmo. Nesses controladores, o mau condicionamento da matriz de inércia no espaço das juntas tem um papel importante. Devido ao mau condicionamento, pequenas perturbações no sistema podem levar a grandes mudanças nas soluções numéricas, o que pode gerar uma performance ruim do controlador, ou até mesmo instabilidade, resultando em uma interação insegura. Para contornar esses problemas, esta tese apresenta um controlador no qual o condicionamento da matriz de inércia no espaço das juntas é adaptado online, consequentemente melhorando a performance do sistema em malha fechada. Se o robô é atuado em velocidade/posição, um controlador baseado no seu modelo cinemático é comumente utilizado. Dessa forma, um controlador cinemático baseado no mapeamento logarítmico de quatérnios duais é desenvolvido. Os algoritmos propostos nesta tese foram validados em simulação e/ou experimentalmente em um robô manipulador, e uma extensão da arquitetura proposta para o caso de corpo completo, considerando um manipulador móvel bimanual, também foi avaliada em simulação. Além disso, análises estatísticas foram utilizadas para comparar a performance desses controladores com outros do estado da arte, e os resultados mostraram que as técnicas desenvolvidas são pelo menos tão boas quanto ou melhores do que as da literatura.