Passivity-based multilateral control for delayed teleoperation

Panzirsch, Michael (2018). Passivity-based multilateral control for delayed teleoperation. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.52592.

Descripción

Título: Passivity-based multilateral control for delayed teleoperation
Autor/es:
  • Panzirsch, Michael
Director/es:
  • Ferre Pérez, Manuel
  • Artigas Esclusa, Jordi
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 14 Junio 2018
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

Texto completo

[img] PDF (Document Portable Format) - Acceso permitido solamente a usuarios en el campus de la UPM hasta 15 Abril 2019 - Se necesita un visor de ficheros PDF, como GSview, Xpdf o Adobe Acrobat Reader
Descargar (0B)

Resumen

Hoy en día los mecanismos robóticos son una herramienta madura y segura en el campo de la automatización, así como en la colaboración con trabajadores. En los últimos años el progreso de las tecnologías robóticas ha logrado una mayor eficiencia computacional, desarrollo de sensores más inteligentes y mecanismos robóticos ligeros controlados por impedancia, dando lugar así a nuevos campos de aplicación. Donde, además de las cono- cidas industrias espaciales y nucleares, se han creado y evolucionado nuevos mercados para robots, como por ejemplo el campo de la medicina y el mantenimiento industrial. Ya que estos requieren un sistema robótico para entornos no estructurados, restringidos y dinámicos. No obstante este tipo de entornos continúan suponiendo un reto para los sistemas autónomos, existiendo así una alta demanda actual de sistemas de tele-operación, los cuales permiten a un operador humano controlar un sistema robótico (esclavo) a través de un dispositivo de entrada háptico (maestro). Adicionalmente, en este sistema de tele-operación, el operador cuenta con sistemas de retroalimentación del entorno, ya sea acústico, visual o de tacto, donde el bucle de control háptico resulta ser primordial para proporcionar una sensación de contacto crucial en la operación. Por otro lado, las técnicas de control modernas han conseguido mejorar la transparencia, es decir, la calidad de inmersión en el entorno del esclavo que el operador humano percibe a través de su dispositivo de interacción. De este modo, mediante el uso de la telemanipulación, se ha vuelto posible el uso de sistemas robóticos para mantenimiento de plantas o trabajos complejos de construcción, como en la industria nuclear. Pero aun, la eficiencia de los así conocidos sistemas de operación bilateral están limitados en varias situaciones. Agentes robóticos de cooperación múltiple, ya sea autnomos o teleoperados, pueden alcanzar un objetivo común más fácilmente. Así también, en términos de fiabilidad adaptabilidad y ergonomía de multirobots, o sistemas de control multilateral, respectivamente, puede traer apreciables beneficios. La contribución básica de esta tesis es el desarrollo de un sistema de control modular que permita un análisis de estabilidad simple enfocado a una gran variedad de configuraciones multilaterales gracias a su modularidad. El control ha sido basado en pasividad, el cual es un criterio de estabilidad ampliamente usado particularmente en presencia de retardos en el canal de comunicación. En un segundo conjunto de contribuciones, se han desarrollado nuevas arquitecturas de control con la finalidad de incrementar la eficiencia, en términos de precisión de la posición y en la impedancia percibida de un acoplamiento multilateral. En este contexto, han sido propuesto y validados nuevos enfoques de control para sistemas con retardo en el dominio del tiempo, medición de retroalimentación por fuerza y un amplio concepto del control de velocidad. El tercer conjunto de aportaciones está enfocado a incrementar la sensación háptica, las cuales surgen a partir de los desarrollos antes mencionados. El concepto de punto de agarre virtual y la aproximación del realce de la intención háptica son introducidos, ya que ambos aseguran incrementar la precisión en tareas de cooperación y en la manipulación de objetos grandes y flexibles. Adicionalmente, una distribución de roles se ha propuesto con el fin de incrementar la eficiencia del sistema en estos escenarios y permitir así, aplicaciones de entrenamiento háptico. El trabajo es original, ya que gran parte de los métodos presentados traen beneficios, en comparación con métodos del estado del arte, aun cuando son aplicadas en configuraciones bilaterales estándar, además de aportar novedosas aplicaciones multilaterales y conceptos de realce háptico. Por otro lado, todos los conceptos discutidos son evaluados a través de experimentos robóticos en campo en el curso de esta tesis y la generalidad del enfoque modular es validada en varias aplicaciones. Los resultados de los experimentos en tareas de asignación y los conceptos del punto de agarre virtual, el control cooperativo de robots esclavos, así como también robots móviles con ruedas controladas por velocidad son presentados en configuraciones reales de múltiples grados de libertad. Un estudio de usuario otorga una evaluación objetiva de un grupo de métodos de aumentación háptica. Además, los efectos de retardo, y un novedoso y aumentado enfoque en la intención háptica son demostrados en un escenario con un cosmonauta en la Estación Espacial Internacional. ---------Abstract-------- Today, robots are a mature and save tool in automated production lines as well as in collaboration with human workers. Over the past few years, the progress in robotic technologies such as higher computational performance, the development of smarter sensors and impedance controlled light weight robots, has paved the path for robots to new fields of application. Besides space and the nuclear industry, new markets for robots, e.g. in medicine and industrial maintenance have evolved. Since unstructured, dynamic and narrow environments present a challenge for autonomous systems, there is still a high demand for teleoperation systems that give a human operator access to the control of a robot (slave) via haptic input device (master). Besides acoustic and visual feedback, the haptic control loop providing a sense of touch to the operator is crucial in teleoperation systems. Modern control techniques enhanced the transparency, i.e. the quality of immersion into the slaves environment that the human operator perceives via his/her interaction device. Via telemanipulation it became feasible to use robots for plant maintenance or complex constructional tasks e.g. in the nuclear industry. Still, the performance of such so-called bilateral teleoperation systems is limited in several situations. Multiple cooperative robotic agents, autonomous or teleoperated, can achieve a common objective more effectively. Also, in terms of reliability, adaptability and ergonomics multi-robot or multilateral control systems respectively can bring obvious benefits. The basic contribution of this thesis is the development of a modular control frame- work that allows for an uncomplicated stability analysis for a large variety of multilateral setups thanks to its modularity. The control approach is passivity based which is a widely used stability criterion particularly in the presence of time delay in the communication channel. In a second set of contributions, new control architectures are developed that aim the performance increase in terms of accuracy of position and perceived impedances in the multilateral coupling. In this context, new time domain control approaches for delayed systems, measured force feedback and an extended model-mediated rate control concept are proposed and validated. The third set of contributions of haptic augmentation concepts builds up on these developments. The virtual grasping point concept and a haptic intention augmentation approach are introduced that promise the increase of precision in cooperative tasks and the manipulation of large or flexible objects. Additionally, a role distribution is proposed that promises to increase the system performance in these scenarios and allows for haptic training applications. The work is original in that a large part of the presented approaches brings benefit compared to the state of the art also when applied in standard bilateral setups and in that novel multilateral applications and haptic augmentation concepts are introduced. Alldiscussed concepts are evaluated through real robotic experiments in the course of this thesis and the generality of the modular approach is validated in various applications. Experimental results of task allocation and virtual grasping point concepts, the control of cooperative slave robots as well as rate controlled wheeled mobile robots are presented in real multi-degree of freedom setups. A user study serves the objective evaluation of a set of haptic augmentation approaches. Furthermore, the effects of time delay and a novel haptic intention augmentation approach are demonstrated in a scenario involving a cosmonaut on the International Space Station.

Más información

ID de Registro: 52592
Identificador DC: http://oa.upm.es/52592/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:52592
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.52592
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 15 Oct 2018 05:29
Ultima Modificación: 12 Nov 2018 15:07
  • InvestigaM
  • GEO_UP4
  • Open Access
  • Open Access
  • Sherpa-Romeo
    Compruebe si la revista anglosajona en la que ha publicado un artículo permite también su publicación en abierto.
  • Dulcinea
    Compruebe si la revista española en la que ha publicado un artículo permite también su publicación en abierto.
  • Recolecta
  • Observatorio I+D+i UPM
  • OpenCourseWare UPM