Dynamic manipulation for industrial and service robotics applications

Prosjektets fokus er å fremme robotsystemers evne til å utføre manipulasjonsoppgaver ved å etterligne menneskelige henders allsidighet og effektivitet i forbindelse med manipulering av objekter. Uten særlig mental innsats kan mennesker enkelt både velge og bruke ulike verktøy som skruetrekkere, spisepinner, hammere, blyanter, pensler etc., for å oppnå ønskede mål. I farten kan vi mennesker lage komplekse planer for å transportere og manipulere objekter, noe som krever gitte sekvenser av å gripe, re-gripe, reorientere, transportere, trekke, skyve etc. Dette er vanlige og nødvendige primitiver for utføre typiske oppgaver som for eksempel åpne/lukke en ryggsekk, spise suppe med en skje, knytte skolisser osv. Menneskelige manipulasjonsevner er også uunnværlige for å utvikle nye og forbedrede ferdigheter innenfor oppgaver som maskinering, boring, polering og montering, som i dag oftest gjøres nesten utelukkende ved hjelp av menneskelig arbeidskraft. I alle disse eksemplene avhenger suksessen av å utføre en manipulasjonsoppgave i stor grad av både allsidigheten og bevegelsesevnene til menneskers hender, samt menneskers evne til å kontrollere et objekt ved å la det gli eller rulle over håndflatene eller mellom fingrene. Utvikling av robothender for å håndtere lignende verktøy og objekter i lignende situasjoner, samt på en menneskelig måte, krever nye teoretiske grunnlag og skalerbare prinsipper for å skape alternative løsninger for disse oppgavene. Men på grunn av forskjeller i kinematiske strukturer, dynamiske egenskaper, målesystemer, samt aktuering til roboter i motsetning til mennesker, er det lite håp om å etterligne menneskelig manipuleringsadferd nøyaktig ved hjelp av robotikksystemer. I stedet indikerer menneskelige evner muligheten for å kunne utføre ulike krevende manipulasjonsoppgaver under forskjellige kontaktforhold, og gir derav sterke incitamenter til å planlegge og kontrollere lignende oppførsel ved hjelp av robotikksystemer. De viktigste prosjektaktivitetene ble utført langs konseptuelle retninger for utviklingen av modellbaserte løsninger for en rekke manipulasjonsoppgaver for robotsystemer. Vi søkte følgende etter: forskjellige representasjonsformater av manipulasjons-primitiver som samsvarer med fysiske begrensninger, f.eks. på grunn av passiv dynamikk av et eksternt objekt eller distribuerte kontaktforhold; styringssystemarkitekturer for robust stabilisering av krevende og smidige bevegelser som samsvarer både med kjente kinematiske og dynamiske begrensninger, samt med heuristikker som beskriver en forventet systemytelse. De viktigste teoretiske resultatene av prosjektet var: - Det ble foreslått en prosedyre for å analysere en av de mest krevende tilfellene av singulariteter som oppstår ved såkalte nestede representasjoner av en tvungen bevegelse av et mekanisk system. Det ble forklart at man kan forenkle den vanlige antagelsen som er pålagt dynamikken til en bevegelsesgenerator for at det skal være en vanlig differensialligning. Som vist, kan bevegelsesgeneratorens dynamikk inneha en singularitet som ikke kan fjernes ved hjelp algebraiske operasjoner. Hvis en slik singularitet er av første orden, er bidraget å karakteriserer egenskapene til koeffisientene til det dynamiske systemet som sikrer at det eksisterer en gyldig bevegelse gjennom singulariteten. På den andre side, hvis slike forhold blir brutt, eller singulariteten er av høyere orden, så ble det vist at slike bevegelser ikke eksisterer. Resultatet er konstruktivt, enkelt å kontrollere og tillater både å karakterisere nytten av forskjellige valg av bevegelsesgeneratorer for å utføre en konkret manipulasjonsoppgave, samt beskrive et utvidet sett med slike manipulasjoner hvis vilkårene for slike tester er oppfylt. - Det ble utviklet nye kontrollarkitekturer for robust orbital stabilisering eller sammentrekning til en nominell manipulasjon for robotsystemer som har færre aktuatorer enn frihetsgrader. Det nye elementet i slike kontrollerutforminger var den analytiske prosedyren for å rekonstruere en lavdimensjonal manifold og en fremoverkobling som gjør denne manifolden uforanderlig i lukket sløyfe. Denne nye metoden gjør det mulig å bruke klassiske tilbakekoblingsmetoder som high-gain- og sliding-mode kontroll for robust orbital stabilisering, forutsatt at dynamikken på den genererte undermanifold er stabil.

Main outcomes: theoretical contributions Theoretical results can be grouped around the following directions - Developing model-based algorithms and their realizations for searching and efficient representations of feasible forced movements of underactuated mechanical systems that account for most demanding part of the dynamics of the robotic system designed for performing a dynamic manipulation with an external object or environment. - Developing tools for model-based representation of transverse dynamics of nonlinear system in a vicinity of the nominal movement; they include steps defining different sets of transverse coordinates, deriving their dynamics and mostly important deriving symbolically the first order approximation of their dynamics. - Developing algorithms for synthesis of a feedback controller for regulating the transverse dynamics of the nominal motion of the robotic system and for analysis of the closed-loop system dynamics.

The project will result in developing the framework and critical components of novel technology for solving common challenging robotics problems in grasping, manipulation, transporting, machining, and assembly tasks. The fundamental contributions will allow organizing original experiments and steps in prototyping scalable approaches for difficult to perform and automate operations in manufacturing and service applications. The project activities will propel the robotics research of the team to the forefront in dynamic manipulation, force control and contact applications resulting at publication of a number of reports and papers at the best robotics conference and prestige scientific journals. Organizationally, the project will serve as an integrated research, educational and experimental platform for developing new technologies, educating and training young researchers, as well as designing and testing innovative robotic solutions all necessary for substitution and automation of manual work and advanced human capabilities in sorting, high-precision manipulation, processing and assembly operations on digital factories of the future. In service applications the contributions will extend and support human-like and bio-inspired collaborative work between humans and light, flexible and intelligent robotic systems.