Advanced Techniques for Robotics Manipulation in Hazardous Environments
Authors:   , Espinosa Peralta Paul 
Published: February 2025

This thesis offers an analysis of advancements in robotic manipulation for hazardous environments such as overhead power lines and radiation facilities. It examines crucial areas such as vision-based perception and control strategies while detailing the development and testing of robotic systems like the ROSE, QDS and CRANEbot prototypes for tasks involving power lines and radiation facilities. A core focus is on robotic screw-driving operations; however, the algorithms proposed could be used in other applications.

A novel vision-based system is introduced, utilizing neural networks and force sensors to enhance precision in semi-unstructured environments. The vision system, coupled with smart cameras and dynamic focus capabilities, achieves high performance under varied lighting conditions. the system demonstrated high precision in detecting and aligning fasteners, achieving 99.86\% accuracy for rotation detection and 100\% for centering in synthetic datasets, while real-world tests yielded 96.26\% performance. Several optimization neural network techniques were used to improve inference time, making it suitable for real-time applications.

The study also focuses on optimizing the robot's external forces and joint torques. Using forward, inverse kinematics, geometric Jacobian and safety robots limits this proposal identifies the best robot poses to minimize stress on joints by redistributing the forces and torques generated by external tools. The research shows that aligning the tool's axis with the robot's joint axes and optimizing tool design and positioning is critical for safe and efficient operation. Simulation tests reveal that tool designs with higher centers of gravity and smaller tool center points reduce torque exerted on the robot's joints. Whereas, real-world tests show that optimizing robot and tool poses effectively mitigates the stress on weaker joints, allowing the robot to achieve 50\% of the safety limits.

Lastly, the research evaluates the effects of ionizing radiation on robotic systems, particularly the effects on electronic components and robotic arm trajectories. Tests conducted indicate that Rad-Hard microcontrollers display greater robustness compared to conventional ones, emphasizing the importance of component shielding and mitigation strategies to extend operational lifespans in extreme environments. Other results show that robots operate well, up to a total ionizing dose (TID) of 70 Gy. At a TID of 220 Gy, robots experience trajectory deviations from radiation-altered data, whereas TIDs above 300 Gy cause microcontroller failures, disrupting communication and operations. The study finds that rad-hard microcontrollers provide superior signal stability and resistance to radiation, proving crucial for prolonged use in harsh conditions.

RESUMEN

Esta tesis ofrece un análisis de los avances en manipulación robótica para entornos peligrosos como líneas eléctricas aéreas e instalaciones de radiación. Examina áreas cruciales como la percepción basada en la visión y las estrategias de control, al tiempo que detalla el desarrollo y las pruebas de sistemas robóticos como los prototipos ROSE, QDS y CRANEbot para tareas relacionadas con líneas eléctricas e instalaciones de radiación. El estudio se basa en tareas robóticas de atornillado; sin embargo, los algoritmos propuestos podrían utilizarse en otras aplicaciones.

Se presenta un novedoso sistema basado en la visión, que utiliza redes neuronales y sensores de fuerza para mejorar la precisión en entornos semiestructurados. El sistema de visión, combinado con cámaras inteligentes y capacidades de enfoque dinámico, logra un alto rendimiento en condiciones de iluminación variadas. El sistema demostró una alta precisión en la detección y alineación de elementos de fijación, alcanzando una exactitud del 99,86\% para la detección de rotación y del 100\% para el centrado en conjuntos de datos sintéticos, mientras que las pruebas en el mundo real arrojaron un rendimiento del 96,26\%. Se utilizaron varias técnicas de optimización de redes neuronales para mejorar el tiempo de inferencia, lo que lo hace adecuado para aplicaciones en tiempo real.

El estudio también se centra en la optimización de las fuerzas externas y los pares articulares del robot. Utilizando la cinemática directa e inversa, el jacobiano geométrico y los límites de seguridad de los robots, esta propuesta identifica las mejores poses del robot para minimizar el estrés en las articulaciones mediante la redistribución de las fuerzas y los pares generados por las herramientas externas. La investigación demuestra que la alineación del eje de la herramienta con los ejes de las articulaciones del robot y la optimización del diseño y posicionamiento de la herramienta son fundamentales para un funcionamiento seguro y eficiente. Las pruebas de simulación revelan que los diseños de herramientas con centros de gravedad más altos y puntos centrales más pequeños reducen el par ejercido sobre las articulaciones del robot. Por su parte, las pruebas en condiciones reales demuestran que la optimización de las posturas del robot y la herramienta mitiga eficazmente la tensión en las articulaciones más débiles, lo que permite al robot alcanzar el 50\% de los límites de seguridad.

Por último, la investigación evalúa los efectos de las radiaciones ionizantes sobre los sistemas robóticos, en particular los efectos sobre los componentes electrónicos y las trayectorias de los brazos robóticos. Las pruebas realizadas indican que los microcontroladores Rad-Hard presentan mayor robustez que los convencionales, lo que subraya la importancia del blindaje de los componentes y las estrategias de mitigación para prolongar la vida útil operativa en entornos extremos. Otros resultados muestran que los robots funcionan bien hasta una dosis ionizante total (TID) de 70 Gy. Con una TID de 220 Gy, los robots experimentan desviaciones de trayectoria por datos alterados por la radiación, mientras que las TID superiores a 300 Gy provocan fallos en los microcontroladores, lo que interrumpe la comunicación y las operaciones. El estudio concluye que los microcontroladores rad-hard ofrecen una estabilidad de señal y una resistencia a la radiación superiores, lo que resulta crucial para un uso prolongado en condiciones extremas.