Design, Modelling, Control and Teleoperation of Hyper-Redundant Robots

Martín Barrio, Andrés (2020). Design, Modelling, Control and Teleoperation of Hyper-Redundant Robots. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.65161.

Description

Title: Design, Modelling, Control and Teleoperation of Hyper-Redundant Robots
Author/s:
  • Martín Barrio, Andrés
Contributor/s:
  • Barrientos Cruz, Antonio
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

This work studies highly-articulated robots, specifically those manipulators that are hyper-redundant, continuous, and soft. These devices are well-known for being fault-tolerant or having better kinematic skills to avoid obstacles and move in unstructured spaces, compared to traditional ones. However, they face multiple engineering challenges that are acknowledged in this document; from their design, modelling process and control, to their teleoperation. Therefore, this work firstly proposes a new mathematical definition for these robots and a novel classification. An updated state-of-the-art also grants a complete overview based on a rigorous scientific method. Different design ideas are provided to construct these robots, in which finding a compromise between different requirements is essential. In addition, multiple strategies are applied to predict their movements, specifically for continuous and soft robots. These include the real-time Finite Element Method which stands out to be the most promising, flexible, accurate, efficient and complete tool. Moreover, two novel control algorithms are originally introduced: the Natural-CCD and SCD methods. They are based on very simple principles to efficiently and flexibly customize the control of highly-articulated mechanisms including discrete, continuous, soft, growing, cooperative and even branching structures. These algorithms are designed to solve different control strategies like the inverse kinematics, following of trajectories, shape and follow-the-leader controls or motion planning with obstacle avoidance. Interestingly, a set of primal behaviours were also found based on the kinematics of these robots, constituting a new perspective to control their movements. Finally, disruptive immersive technologies and natural language tools were found to be the best suited to teleoperate these complex manipulators in terms of situational awareness and objective efficiency. In summary, highly-articulated robots are quite challenging but they are expected to play a very important role in the future to come. ----------RESUMEN---------- Este trabajo estudia a robots muy articulados, específicamente aquellos que son hiper-redundantes, continuos y blandos. Estos dispositivos son conocidos por ser tolerantes a fallos o presentar mejores habilidades cinemáticas que los robots tradicionales para evitar obstáculos o para moverse en entornos desestructurados. Sin embargo, también presentan múltiples retos a nivel de ingeniería que se analizarán en este documento; desde su diseño, modelado y control, hasta su teleoperación. Por lo tanto, este trabajo primero propone una nueva definición matemática para estos robots, así como una clasificación actualizada. También, se proporciona un estado del arte actualizado para dar una visión integradora basada en un riguroso método científico. Seguidamente, diferentes ideas de diseño han sido propuestas para construir estos robots, en los que habitualmente es esencial encontrar un compromiso entre diferentes requerimientos. Asimismo, se han aplicado múltiples estrategias para predecir sus movimientos, específicamente para aquellos robots continuos y blandos. Por ejemplo, se ha usado el Método de Elementos Finitos en tiempo real, que destaca por ser la herramienta más prometedora, flexible, precisa, eficiente y completa. También, dos nuevos algoritmos de control han sido originalmente propuestos: el Natural-CCD y SCD. Están basados en principios muy básicos capaces de controlar y personalizar de una forma eficiente y flexible el control de estos mecanismos, entre los que se incluyen aquellos discretos, continuos, blandos, extensibles, cooperativos e incluso arborescentes. Estos algoritmos han sido diseñados para dar solución a diferentes estrategias de control como la cinemática inversa, el seguimiento de trayectorias, controles basados en forma o en el seguimiento de un líder, e incluso para planificación de movimientos y evasión de obstáculos. Curiosamente, también se encontraron una serie de comportamientos primitivos para este tipo de robots que han dado lugar a una nueva perspectiva para controlar sus movimientos. Finalmente, se ha descubierto que las disruptivas tecnologías inmersivas y el lenguaje natural son las mejores herramientas para teleoperar estos manipuladores en términos de conciencia de la situación y de una eficiencia objetiva. En resumen, los robots altamente articulados suponen un gran reto, pero a su vez resultan prometedores y se espera que jueguen un papel fundamental en el futuro que está por llegar.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainDPI2014-56985-RPRICUnspecifiedRobotic Protection for Critical Infrastructures
Madrid Regional GovernmentS2018/NMT-4331Robocity2030-DIH-CMUnspecifiedRobotics Digital Innovation Hub
Universidad Politécnica de MadridVJIDOCUPM18JCGUnspecifiedUnspecifiedUnspecified

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Item ID: 65161
DC Identifier: http://oa.upm.es/65161/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65161
DOI: 10.20868/UPM.thesis.65161
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 02 Nov 2020 07:23
Last Modified: 02 Nov 2020 07:23
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