Control of reaching motions by redundant robot systems
Authors: Atawnih Abdelrahem 
Published: August 2021

Σε γενικές γραμμές, ο πλεονασμός ανοίγει δρόμους για την βελτιστοποίηση της ρομποτικής. Ο πλεονασμός μπορεί να οριστεί ως πλεονασμός αισθητήρων/κινητήρων ή ως κινηματικός πλεονασμός. Σε αυτή τη διατριβή χρησιμοποιείται ο κινηματικός πλεονασμός όπου οι συνολικοί βαθμοί ελευθερίας του ρομπότ είναι περισσότεροι από τους βαθμούς ελευθερίας που απαιτούνται για την εκτέλεση μιας εργασίας. Αυτός ο πλεονασμός παρέχει άπειρο αριθμό λύσεων για την πραγματοποίηση μιας εργασίας και έτσι, παράλληλα με τηςν εκτέλεσης της κύριας εργασίας, μπορούν να διεξάγονται και διάφορες υποεργασίες.Η διατριβή αυτή εστιάζει στην επίδοση της έκτασης ρομποτικών βραχιόνων έτσι ώστε να βελτιωθεί η αποδοχή των ρομπότ σε περιβάλλοντα όπου συνυπάρχουν άνθρωποι και ρομπότ. Για αυτό το λόγο απαιτείται ακρίβεια στο να φτάσει το ρομπότ το στόχο του, χρονική σύγκλιση επιβαλλόμενη κατά βούληση, ανθρώπινη ομαλότητα του άκρου και την συνοχή των ταχυτήτων και της διάταξης των αρθρώσεων, με εγγυημένη αποφυγή των ορίων των αρθρώσεων. Συγκεκριμένα, η διατριβή αυτή προτείνει έναν ελεγκτή ταχύτητας για πλεονασματικούς βραχίονες (κινηματικός ελεγκτής) και ελεγκτές ροπής για την έκταση ρομποτικού βραχίονα, οι οποίοι εγγυώνται ολοκλήρωση της εργασίας στον επιθυμητό χρόνο και ακρίβεια χωρίς να χρειάζεται σχεδίαση τροχιάς. Οι ελεγκτές παρέχουν συνοχή της διάταξης των αρθρώσεων στις κινήσεις επιστροφής και ομαλότητα των ταχυτήτων του χεριού και των αρθρώσεων. Επίσης, προτείνεται ένας ελεγκτής ο οποίος χρησιμοποιείται σε ένα σχήμα ελέγχου της μηχανικής εμπέδησης μέσω κινηματικών εντολών (admittance controller), το οποίο με βάση μετρήσεων ή εκτιμήσεων των εξωτερικών δυνάμεων, παρέχει ενεργή υποχωρητικότητα σε αλληλεπιδράσεις του ρομπότ με το περιβάλλον.Επίσης, παρουσιάζεται μια προσέγγιση στην αντιμετώπιση του αντίστροφου διαφορικού κινηματικού προβλήματος των πλεονασματικών βραχιόνων, παρουσία περιορισμών των θέσεων των αρθρώσεων. Προτείνεται ένα σήμα προκαθορισμένης επίδοσης που εγγυάται την αποφυγή των ορίων των αρθρώσεων, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε εφικτές και σε μη εφικτές εργασίες. Στην πρώτη περίπτωση, μπορεί να συνιστά μια ταχύτητα στο μηδενοχώρο για την πρωταρχική εργασία αντιστοίχισης ταχυτήτων, ενώ στην δεύτερη εγγυάται λύση στην προσέγγιση του στόχου, μεταβάλλοντας το προσχεδιασμένο μονοπάτι ή παράγοντας ένα εφικτό μονοπάτι σε περιπτώσεις που αρκετοί από τους υπάρχοντες αλγορίθμους αποτυγχάνουν. Επίσης, η διατριβή αυτή προτείνει ένα σήμα ροπών στις αρθρώσεις που εγγυάται την αποφυγή των ορίων των αρθρώσεων για πλεονασματικούς βραχίονες, το οποίο μπορεί να λειτουργεί παράλληλα με κάποιον παθητικό ελεγκτή προσέγγισης στόχων σε σχέση με την ακρίβεια της προσέγγισης των στόχων. Στην συγκεκριμένη δουλειά, το σήμα αυτό συνδυάζεται με έναν ελεγκτή προσέγγισης που χρησιμοποιεί την ανάστροφη Ιακωβιανή, μαζί με απόσβεση.Η σχεδίαση των ελεγκτών είναι βασισμένη στην μεθοδολογία προκαθορισμένης επίδοσης (Prescribed Performance - PPC). Η μεθοδολογία αυτή μας επιτρέπει να επιβάλλουμε συγκεκριμένες προδιαγραφές στην επίδοση του σήματος εξόδου άγνωστων συστημάτων, και σε κάποιες περιπτώσεις, χωρίς καν να χρησιμοποιούμε προσεγγιστικές μεθοδολογίες για να λάβουμε πληροφορία για την δυναμική του συστήματος.Οι προσομοιώσεις της συγκεκριμένης διατριβής έγιναν χρησιμοποιώντας ανθρωπομορφικούς βραχίονες των 5 βαθμών ελευθερίας και των 7 βαθμών ελευθερίας (KUKA LWR4+ 7dof manipulator), ενώ για τα πειράματα χρησιμοποιήθηκε ο βραχίονας 7 βαθμών ελευθερίας KUKA LWR4+. Τόσο οι προσομοιώσεις, όσο και τα πειράματα επαληθεύουν τις προσεγγίσεις και αποδεικνύουν την επίδοση των προτεινόμενων ελεγκτών.