Planificación automática y supervisión de operaciones de montaje mediante robots

Abstract

One of the main topics to be solved in order to fully automate a robotized assembly task is the automatic determination of the movements to be done by the robot to properly perform the tasks when the existing uncertainty is not negligible. <br/><br/>This problem is of particular theoretical and practical interest when rotational degrees of freedom and friction forces are taken into account. In this thesis, an automatic movement planner that considers these aspects is proposed, including the description of how to execute the plan and supervise the evolution of the task. <br/><br/>In order to generate the plan, the task is represented by a finite number of states, which are associated to the nodes of a graph with the links connecting contiguous states. Then, using uncertainty models developed in the thesis, the domains of the possible configurations and reaction forces that can be measured by the corresponding sensors in each task state are determined. <br/><br/>From the existing initial conditions of the task and the desired final conditions, an initial and a goal state are determined, and, using the state graph, a sequence of contiguous states joining them is searched. At the same time, state transition operators (movement directions of the robot) that may allow the transition from one state to the next in the sequence are also determined.<br/><br/>The execution of the task according to the plan basically consist in the estimation of the current state by matching the sensorial information obtained on-line with the domains of configuration and force of each state, and then, the application of the proper state transition operator to proceed in the state sequence towards the goal state.<br/><br/>The main contributions of the thesis are the following: on one side, as a general contribution, the proposed planning procedure that allows the simultaneous consideration of friction forces, rotational degrees of freedom, and the different uncertainty sources that affect a robotized task; on the other side, as more specific contributions, the proposal of task states as the occurrence of a set of basic contacts, and, for movements on a plane, the fusion of the uncertainty models and the determination of the reaction forces possible in any contact situation by using the dual representation of the force lines. <br/><br/>The thesis includes the application of the developed concepts to a simple assembly task (the block in the corner problem) considering movements on a plane. Although the implementation is not a general application prototype, it contributes to the validation of the theoretical results of the work.

Uno de los principales problemas a resolver en la automatización total de una tarea de montaje robotizada, es la determinación automática de los movimientos que debe realizar el robot para llevar a cabo la tarea cuando la incertidumbre que le afecta es significativa. Este problema es de especial interés teórico y práctico cuando se consideran grados de libertad de rotación y fuerzas de fricción. En la tesis se propone un planificador automático de movimientos que tiene en cuenta estos aspectos. Se describe también cómo llevar a cabo la ejecución del plan y supervisar la evolución de la tarea.<br/><br/>Para llevar a cabo la planificación, la tarea se representa mediante un conjunto finito de estados. Considerando la incertidumbre mediante modelos desarrollados en la tesis, se determinan los dominios de observación de configuraciones y de fuerzas de reacción que pueden ser indicadas por los sensores cuando tiene lugar cada estado de la tarea. Los estados de la tarea se representan como nodos de un grafo en el que los arcos unen los estados contiguos.<br/><br/>A partir de las condiciones iniciales de la tarea y condiciones finales deseadas se establecen sendos estados inicial y final, y, utilizando el grafo de estados, se determina una secuencia de estados contiguos que los ligue. Paralelamente, se determinan operadores de cambio de estado (direcciones de movimiento del robot) que pueden permitir la transición de un estado a otro de la secuencia.<br/><br/>La ejecución de la tarea acorde al plan consiste básicamente en estimar el estado en curso contrastando la información sensorial obtenida en-línea con los dominios de observación de configuración y fuerza, para aplicar entonces el operador de cambio de estado que corresponda, y así sucesivamente hasta alcanzar el estado final.<br/><br/>Las principales aportaciones de la tesis son las siguientes. Por un lado, desde un punto de vista general, cabe destacar el procedimiento de planificación propuesto, que permite considerar simultáneamente fuerzas de fricción, grados de libertad de rotación y las incertidumbres que afectan a una tarea de montaje robotizada. Por otra parte, pueden mencionarse como aportaciones particulares, la introducción del concepto de estados de la tarea como ocurrencia de un determinado conjunto de contactos básicos y, para el caso de movimientos en un plano, el modelado y fusión de incertidumbre de una forma más precisa que las descritas en trabajos previos, así como la determinación de las fuerzas de reacción que pueden tener lugar en cualquier contacto mediante el uso de la representación dual de sus rectas de acción. <br/><br/>La tesis incluye la aplicación de los conceptos teóricos desarrollados a una tarea de montaje (bloque en la esquina) considerando movimientos de los objetos en un plano. Aunque la implementación no pretende ser un prototipo de aplicación general, contribuye a la validación de los resultados del trabajo.