Cinemàtica i Control en entorns multi-robot

Abstract

Un dels camps de la robòtica que estan despertant gran interès per part de la comunitat científica és el dels entorns multirobot. Aquest nom genèric inclou diferents tipus de sistemes amb característiques i problemàtiques força diferenciades. En aquest treball s'utilitza aquest terme per fer referència a cel·les robotitzades composades per més d'un robot treballant coordinadament, entès robot com braç manipulador. En aquesta tesis s'han abordat diferents aspectes relacionats amb la cinemàtica i el control de sistemes multirobot. <br/><br/>Dins de la cinemàtica s'han estudiat en detall les característiques de l'espai del treball i les mesures de manipulabilitat dels sistemes multirobot. En aquesta línia s'ha proposat una nova metodologia per estudiar l'espai de treball del sistemes multirobot basada en els conceptes de figura destra i figura realitzable. Aquestes dues figures geomètriques generades a partir dels espais de treball individuals, permeten descriure l'espai de treball com la intersecció de figures geomètriques. Aquest interpretació permet dissenyar de forma intuïtiva cel·les multirobot en les que hi ha manipulació conjunta. La metodologia s'ha implementat en el cas de dos tipus de robots, SCARA, i PUMA.<br/><br/>Dins els aspectes de dinàmica i control tractats en la tesi, cal diferenciar els referents a la dinàmica dels sistemes multirobot i els referents als sistemes en els que cadascun dels robots té un control de posició.<br/><br/>En l'àmbit de la dinàmica pròpiament dita s'ha analitzat en detall la formulació en equacions algebraic diferencials (DAE) dels sistemes mecànics amb restriccions holònomes, cas genèric dins el que s'engloben els sistemes multirobot amb manipulació rígida d'objectes rígids. Aquesta formulació permet obtenir el comportament del sistema a partir de les equacions que descriuen el comportament individual de cadascun dels robots i dels conjunt de restriccions cinemàtiques que actuen sobre el sistema.<br/><br/>En el cas dels robots amb control de posició, el comportament i el control presenten unes característiques totalment diferents. Per aquest tipus d'entorns s'han proposat, dos enfocs de control diferents: un basat en el control híbrid, i un altre basat en control d'impedància. <br/><br/>En l'enfoc de control híbrid es descompossa el sistema en eixos sobre els que s'aplica control de posició i eixos en els que s'aplica control de força, aquests darrers corresponen a les forces internes. Aquest plantejament és totalment centralitzat, es a dir, hi ha un element central encarregat de controlar el comportament del sistema. Com a principal aportació dins aquesta línia, s'ha proposat una metodologia per identificar el comportament de les forces internes que actuen sobre el sistema.<br/><br/>Com alternativa, al control híbrid s'ha desenvolupat un esquema de control basat en la imposició d'un comportament d'impedància en cadascun dels robots. Aquest plantejament és totalment desacoblat, és a dir cadascun dels controladors realitza la seva funció sense necessitat d'un intercanvi d'informació amb la resta de controladors. La principal aportació dins aquesta línia és que el comportament d'impedància s'ha plantejat sobre SE(3), el que fa que els comportaments obtinguts estiguin d'acord amb la topologia de l'espai de treball.<br/><br/>La tesi finalitza amb una presentació de les principals conclusions i línies de treball obertes per treballs futurs.

One field in today robotics in which a lot of people are working is the one concerning multirobot systems. This generic name includes different kinds of systems, each one with its own characteristics and problems. In this work "multirobot system" refers to work cells composed by several robots working in a coordinated way. In this thesis several aspects related with kinematics and control of multirobot systems has been studied. <br/><br/>Inside cinematic the workspace and manipulability measures for multirobots systems have been studied in detail. A new methodology to study multirobot systems workspace has been proposed, this approach is based on the dexterous figure and the reachable figure concepts. These two geometric figures are obtained from the individual workspace. A key issue in this new approach is the fact the multirobot workspace can be described as the intersection of several geometric figures, this introduces a new understanding which can be of great interest in the geometric design of multirobot workcell. This methodology has been used in the analysis and design of workcells composed by SCARA and PUMA robots.<br/><br/>Inside dynamics and control aspects, the dissertation includes two different problems, one related with multirobot dynamics modeling and control and another related with control of multirobot systems where the different robots are position controlled.<br/><br/>In the dynamic related aspects, a new formulation based on the formulation of robotic system with holonomic constraints as Diferential Algebraic Equation Systems (DAE). One particular case of this generic kind of systems is multirobot systems which rigidly manipulate a rigid object. This approach allows obtaining the system behavior from the dynamic equations describing the individual behavior and the set of equations describing the holonomic constrains over the systems.<br/><br/>For the multirobot systems formed by position controlled robots, two different strategies have been proposed and tested in a real workcell. The first one is based on the hybrid control approach and the second one is based on the impedance control approach.<br/><br/>The hybrid control approach decomposes the space in several axes, some of them are controlled in position and the others are force controlled. These force controlled axes are the ones related with internal force control. Hybrid control follows a centralized approach, so a central coordination element is needed. Inside this area a new methodology to identify and control the internal forces dynamics has been proposed.<br/><br/>A different approach has been proposed, impedance control is based on defining an individual behaviour for each robot. This approach is decoupled by definition, in other works each robot do not need information from the other robots. Most important contributions inside this area, is the fact that the individual behaviour is defined over SE(3), this means that obtained movements are topologicaly coherent.<br/><br/>The dissertation concludes with some conclusions and future works.