Controlo visual de robôs manipuladores
Type
doctoralThesis
Creator
Identifier
101133294
Title
Controlo visual de robôs manipuladores
Contributor
Pinto, João Rogério Caldas
Subject
Visão por computador
Controlo visual
Robôs manipuladores
Filtros Fuzzy
Modelação Fuzzy
Controlo por modelo inverso
Computer vision
Visual servoing
Robotic manipulators
Fuzzy filters
Fuzzy modeling
Inverse model control
Controlo visual
Robôs manipuladores
Filtros Fuzzy
Modelação Fuzzy
Controlo por modelo inverso
Computer vision
Visual servoing
Robotic manipulators
Fuzzy filters
Fuzzy modeling
Inverse model control
Relation
info:eu-repo/grantAgreement/FCT/POCI/POCTI%2FEME%2F39946%2F2001/PT
Date
2015-03-27T11:12:08Z
2015-03-27T11:12:08Z
2005
2005
2015-03-27T11:12:08Z
2005
2005
Description
Tese de Doutoramento em Engenharia Mecânica apresentada ao Instituto Superior Técnico da Universidade Técnica de Lisboa.
Na presente tese é abordado o controlo visual de robôs manipuladores. Sobre o tema é apresentado o estado da arte e ainda as ferramentas de visão por computador necessárias à sua implementação. São apresentadas seis contribuições ao controlo visual de robôs manipuladores, nomeadamente o desenvolvimento de um aparato experimental, dois controladores visuais dinâmicos, a aplicação de filtros fuzzy ao controlo visual cinemático, a modelação fuzzy do sistema robô-câmara e o controlo fuzzy do sistema baseado no modelo inverso. O aparato experimental desenvolvido é composto por três partes, nomeadamente um robô manipulador planar de dois graus de liberdade, um sistema de visão com 50Hz de frequência de amostragem e o software desenvolvido para controlar e interligar os dois componentes anteriores. O aparato experimental desenvolvido permitiu validar experimentalmente, em tempo real, os controladores propostos nesta tese. O controlo visual dinâmico actua directamente os motores do robô, em contraste com o controlo visual cinemático que gera uma velocidade de junta a seguir pelo robô, através da utilização de um controlo interno em velocidade. A primeira contribuição ao controlo visual dinâmico é um controlador baseado na imagem, especialmente desenvolvido para o robô do aparato experimental, na configuração eye-in-hand. A segunda contribuição é o desenvolvimento de um controlador visual dinâmico baseado em posição para a configuração eye-in-hand, não estando restringido a um número fixo de graus de liberdade do robô. É ainda demonstrada a estabilidade assimptótica de ambos os controladores. A aplicação de lógica fuzzy ao controlo visual cinemático de robôs manipuladores baseado na imagem, revelou três contribuições. Com a aplicação de filtros fuzzy ao controlo visual cinemático, com planeamento de trajectórias ou em regulação, o desempenho do controlador é melhorado, i.e. as velocidades de junta do robô diminuem nos instantes iniciais e o carácter oscilatório destas é atenuado quando o tempo de amostragem de visão é elevado. Foi obtido o modelo inverso do sistema robô-câmara através de modelação fuzzy, tendo sido desenvolvida uma metodologia conducente à obtenção do referido modelo. O modelo inverso fuzzy é utilizado como controlador do sistema robô-câmara, com o objectivo de fornecer as velocidades de junta capazes de mover o robô para a posição desejada. Foi ainda utilizado um compensador fuzzy para compensar eventuais discrepâncias entre o modelo obtido e o sistema real.
ABSTRACT: The work in thesis aims at the visual control of robotic manipulators, i.e. visual servoing. It is presented the state-of-the-art on the subject and the computer vision tools needed to its implementation. In this thesis are presented six contributions to visual servoing, namely the development of an experimental apparatus, two dynamic visual servoing con- trollers, the application of fuzzy filters to kinematic visual servoing, the fuzzy modeling of the robot-camera system and the fuzzy control based on the inverse model. The experimental apparatus has three different components, namely a planar robotic manipulator with two degrees of freedom, a 50 Hz vision system and the developed software to control and inter-connect the two previous components. The developed experimental apparatus allowed the real-time experimental validation of the controllers proposed in this thesis. The robot joint actuators are directly driven by dynamic visual servoing, in opposition to kinematic visual servoing that generates the joint velocities needed to drive the robot, by means of an inner velocity control loop. The first contribution to dynamic visual servoing is an image based control law specially developed to the robot of the experimental apparatus, with the eye-in-hand. The second contribution is a position based control law to the eye-in-hand configuration, applicable to robots with more than two degrees of freedom. For both the controllers the asymptotic stability is demonstrated. The application of fuzzy logic to image based kinematic visual servoing, revealed three contributions. With the application of fuzzy filters to path planning and to regulator control, the overall performance of visual servoing is improved. The robot joint velocities diminish at the initial control steps and its oscillatory behavior is also diminished when the vision sample time is high. The inverse model of the robot-camera system is obtained by means of fuzzy modeling. A practical methodology for obtaining the model is also presented. The fuzzy inverse model is directly used as the controller of the robot-camera system, in order to deliver the joint velocities, needed to drive the robot to the desired position. It was also used a fuzzy compensator to compensate possible mismatches between the obtained model and the robot-camera system.
Fundação para a Ciência e Tecnologia
Na presente tese é abordado o controlo visual de robôs manipuladores. Sobre o tema é apresentado o estado da arte e ainda as ferramentas de visão por computador necessárias à sua implementação. São apresentadas seis contribuições ao controlo visual de robôs manipuladores, nomeadamente o desenvolvimento de um aparato experimental, dois controladores visuais dinâmicos, a aplicação de filtros fuzzy ao controlo visual cinemático, a modelação fuzzy do sistema robô-câmara e o controlo fuzzy do sistema baseado no modelo inverso. O aparato experimental desenvolvido é composto por três partes, nomeadamente um robô manipulador planar de dois graus de liberdade, um sistema de visão com 50Hz de frequência de amostragem e o software desenvolvido para controlar e interligar os dois componentes anteriores. O aparato experimental desenvolvido permitiu validar experimentalmente, em tempo real, os controladores propostos nesta tese. O controlo visual dinâmico actua directamente os motores do robô, em contraste com o controlo visual cinemático que gera uma velocidade de junta a seguir pelo robô, através da utilização de um controlo interno em velocidade. A primeira contribuição ao controlo visual dinâmico é um controlador baseado na imagem, especialmente desenvolvido para o robô do aparato experimental, na configuração eye-in-hand. A segunda contribuição é o desenvolvimento de um controlador visual dinâmico baseado em posição para a configuração eye-in-hand, não estando restringido a um número fixo de graus de liberdade do robô. É ainda demonstrada a estabilidade assimptótica de ambos os controladores. A aplicação de lógica fuzzy ao controlo visual cinemático de robôs manipuladores baseado na imagem, revelou três contribuições. Com a aplicação de filtros fuzzy ao controlo visual cinemático, com planeamento de trajectórias ou em regulação, o desempenho do controlador é melhorado, i.e. as velocidades de junta do robô diminuem nos instantes iniciais e o carácter oscilatório destas é atenuado quando o tempo de amostragem de visão é elevado. Foi obtido o modelo inverso do sistema robô-câmara através de modelação fuzzy, tendo sido desenvolvida uma metodologia conducente à obtenção do referido modelo. O modelo inverso fuzzy é utilizado como controlador do sistema robô-câmara, com o objectivo de fornecer as velocidades de junta capazes de mover o robô para a posição desejada. Foi ainda utilizado um compensador fuzzy para compensar eventuais discrepâncias entre o modelo obtido e o sistema real.
ABSTRACT: The work in thesis aims at the visual control of robotic manipulators, i.e. visual servoing. It is presented the state-of-the-art on the subject and the computer vision tools needed to its implementation. In this thesis are presented six contributions to visual servoing, namely the development of an experimental apparatus, two dynamic visual servoing con- trollers, the application of fuzzy filters to kinematic visual servoing, the fuzzy modeling of the robot-camera system and the fuzzy control based on the inverse model. The experimental apparatus has three different components, namely a planar robotic manipulator with two degrees of freedom, a 50 Hz vision system and the developed software to control and inter-connect the two previous components. The developed experimental apparatus allowed the real-time experimental validation of the controllers proposed in this thesis. The robot joint actuators are directly driven by dynamic visual servoing, in opposition to kinematic visual servoing that generates the joint velocities needed to drive the robot, by means of an inner velocity control loop. The first contribution to dynamic visual servoing is an image based control law specially developed to the robot of the experimental apparatus, with the eye-in-hand. The second contribution is a position based control law to the eye-in-hand configuration, applicable to robots with more than two degrees of freedom. For both the controllers the asymptotic stability is demonstrated. The application of fuzzy logic to image based kinematic visual servoing, revealed three contributions. With the application of fuzzy filters to path planning and to regulator control, the overall performance of visual servoing is improved. The robot joint velocities diminish at the initial control steps and its oscillatory behavior is also diminished when the vision sample time is high. The inverse model of the robot-camera system is obtained by means of fuzzy modeling. A practical methodology for obtaining the model is also presented. The fuzzy inverse model is directly used as the controller of the robot-camera system, in order to deliver the joint velocities, needed to drive the robot to the desired position. It was also used a fuzzy compensator to compensate possible mismatches between the obtained model and the robot-camera system.
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