Tesis:
Passivity-based multilateral control for delayed teleoperation
- Autor: PANZIRSCH, Michael
- Título: Passivity-based multilateral control for delayed teleoperation
- Fecha: 2018
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/52592/
- Director/a 1º: FERRE PÉREZ, Manuel
- Director/a 2º: ARTIGAS ESCLUSA, Jordi
- Resumen: Los mecanismos robóticos en la actualidad son ya una herramienta madura y segura en líneas de producción autómatas, así como también en la colaboración con trabajadores humanos. En recientes anos, el progreso dentro de las tecnologías reboticas tal como más eficiencia computacional, el desarrollo de sensores más inteligentes y mecanismos robticos ligeros controlados por impedancia, ha trazado el camino hacia nuevos campos de aplicación. Además de la industria espacial y nuclear, nuevos mercados para estos mecanismos, por ejemplo, en medicina y en el mantenimiento industrial han evolucionado. Sin embargo, a que ambientes estrechos, dinámicos y sin ninguna estructura definida representan un reto para sistemas autónomos, existe todavía una alta demanda por sistemas de tele operación que permiten a un operador humano el control de un sistema robótico (slave) a través de un dispositivo de entrada haptico (master). Además de la retroalimentación acústica y visual, el lazo de control haptico que provee una sensación de tacto al operador es crucial en sistemas de teleoperation. Técnicas de control moderno realzan la transparencia, es decir, la cualidad de la inserción en el ambiente de los esclavos que el operador humano percibe en su interacción a través de su dispositivo de interacción. A través de la telemanipulation se ha vuelto posible el uso de sistemas robóticos para mantenimiento de plantas o trabajos complejos de construcción, por ejemplo, en la industria nuclear. Pero aun, la eficiencia de los así conocidos sistemas de operación bilateral es limitado en varias situaciones. Agentes robóticos de cooperación múltiple, ya sea autónomos o teleoperados, pueden alcanzar un objetivo común más fácilmente. Así también, en términos de fiabilidad adaptabilidad y ergonomía multi-robots 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 enfoque de control es 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 grupo de contribuciones, nuevas arquitecturas de control son desarrolladas con la finalidad de incrementar la eficiencia en términos de exactitud en posición y en las impedancias percibidas en el acople multi-lateral. En este contexto, nuevos enfoques de control en el dominio del tiempo para sistemas con retardo, medición de retroalimentación por fuerza y un más amplio concepto del rate control mediado por modelos son propuestos y validados. El tercer grupo de aportaciones de conceptos de aumentación haptica se construye a partir de los desarrollos antes mencionados. El concepto de punto de agarre virtual y el enfoque aumentado de intención haptica son introducidos y cumplen el incremento de precisión en tareas de cooperación y en la manipulación de objetos grandes y flexibles. Adicionalmente, una distribución de roles es propuesta y promete incrementar la eficiencia del sistema en estos escenarios y permite aplicaciones de entrenamiento haptico. El trabajo es original ya que gran parte de los métodos presentados traen beneficios comparados con métodos del estado del arte y aun cuando son aplicados en configuraciones bilaterales estándar, y también debido a que novedosas aplicaciones multilaterales y conceptos de aumentación haptica son introducidas. Todos los conceptos discutidos son evaluados a través de experimentos robóticos en campo en el curso de esta tesis y la generalidad de el enfoque modular es validado en varias aplicaciones. 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 entrega una evaluación objetiva de un grupo de métodos de aumentación haptica. Además, los efectos de retardo, y un novedoso y aumentado enfoque en la intención haptica son demostrados en un escenario con un cosmonauta en la International Space Station. ----------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 framework 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. All discussed 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.