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Dual Artificial Potential Field (d-APF) Based Control for Safe and Efficient Robotic Operation on Industrial Collaborative Scenarios.

Diego Rodríguez Guerra


15/12/2023

  • ZUZENDARIAK: Gorka Sorrosal Yarritu e Itziar Cabanes Axpe
  • UNIBERTSITATEA: UPV/EHU

LABURPENA (Español)

El presente trabajo de tesis propone dos contribuciones principales para la fabricación colaborativa segura y eficiente en entornos industriales modernos. Por un lado, se propone un novedoso controlador para evitar simultáneamente singularidades y colisiones mientras se opera en un entorno compartido. Esta contribución se apoya en la segunda novedad propuesta, un modelo cinemático desacoplado para robots colaborativos de muñeca no esférica. Sin esta última contribución o una caracterización similar de las singularidades del manipulador, el controlador d-APF propuesto no puede implementarse debido a la falta de un conjunto cerrado de configuraciones singulares caracterizadas.

Con el objetivo de explicar el controlador, en los capítulos iniciales de este documento se explican los fundamentos teóricos para implementar el novedoso modelo cinemático, el controlador de referencia y el propuesto. La principal ventaja del nuevo planteamiento para el modelo cinemático desacoplado radica en la técnica de la esferificación de muñeca para obtener una muñeca quasi-esférica. O lo que es lo mismo, una muñeca no esférica que cinemáticamente se comporta como si lo fuera. A partir de este nuevo modelo cinemático, se obtiene un conjunto de soluciones cerradas para la cinemática inversa y las singularidades. De hecho, la caracterización de la singularidad dependiente de la articulación obtenida es la clave para implementar el controlador d-APF propuesto, permitiendo la medida de la cercanía a la singularidad para calcular una respuesta repulsiva y un índice de velocidad límite para cada articulación. Además del controlador y el modelo cinemático, también se ha detallado el controlador de referencia o controlador DLS-APF. Este controlador no sólo se utiliza como referencia sino que integra el manejo de la singularidad a través del modelo cinemático DLS y también establece las bases para los componentes de evasión de colisiones del controlador propuesto.

Para validar la solución propuesta se considera la implementación del modelo y ambos controladores para un robot UR10e y el robot SUPSI. En el caso del robot UR10e, se ha evaluado el comportamiento del manipulador para ambos controladores tanto en un entorno combinado de Gazebo y MoveIt en simulación, como en un demostrador dentro de un entorno controlado real. Para apoyar y extender los resultados obtenidos en el anterior robot a otros robots de estructuras de muñeca no esférica semejantes, se han probado tan sólo en simulación ambos controladores para el robot SUPSI. Esta implementación en ambos robots se basa en una arquitectura de control de software genérica desarrollada en esta tesis doctoral que crea un RTT Controller Manager y un hardware interface bridge para integrar las capacidades de ROS Control en los componentes de Orocos. Además de eso, un RTT ROS Controller específico es implementado para cada robot y caso de estudio (los controladores DLS-APF - Damped Least Square y Artificial Potential Field - y d-APF - dual Artificial Potential Field).

Posteriormente, para comprobar la idoneidad de la propuesta en tiempo real y en aplicaciones colaborativas se han realizado ensayos en simulación y en entorno real. Los resultados muestran una mejora aproximada del 17% en el tiempo computacional para calcular una respuesta de evasión de colisiones libre de singularidades, con respecto al controlador de referencia. Además, la encapsulación de las capacidades de ROS Control en tiempo real permite enviar comandos con frecuencias superiores a los 500Hz, posibilitando la respuesta a los obstáculos en periodos cortos de tiempo. Esto quiere decir que, dependiendo de los requisitos de la aplicación, se puede

garantizar el determinismo y capacidades de tiempo real del sistema de control del robot. Finalmente, se han efectuado algunas pruebas de ejecución de trayectorias con y sin obstáculos, finalizando con resultados positivos donde se han apreciado hasta un 40% de reducción en los tiempos requeridos para ejecutar de forma semi-automatizada frente al proceso de fabricación totalmente manual. Asimismo, en comparación con otros controladores para la gestión de singularidades y obstáculos, la mejora en eficiencia se corresponde con un 11% de ahorro en tiempos para ejecutar el proceso de fabricación gracias al control propuesto en la presente tesis doctoral. Esto es indicativo de que se consigue mantener la seguridad del operario en todo momento, alcanzando un proceso más fluido de fabricación debido a la evasión simultánea de colisiones y singularidades.

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