Trajectory control of anthropomorphic compliant manipulator with Dual Quaternion based Kinematic Controllers

Abstract

A visão de robôs interagindo e ajudando pessoas a executar tarefas existe há bastante tempo. A evolução da tecnologia inseriu os primeiros robôs manipuladores nas fábricas para realizar tarefas repetitivas e perigosas para humanos. Apesar disso, as tarefas e o ambiente foram adaptados para o robô. Além disso, por questões de segurança, eles foram isolados dos humanos. O uso de robôs em fábricas trouxe vários benefícios, mas alguns desafios surgiram. As capacidades de repetibilidade e precisão dos robôs são elevadas, mas eles não são bons em se adaptar para novas tarefas e precisam sempre serem reprogramados. Por outro lado, os humanos tem alta capacidade de adaptação, mas não é recomendado trabalharem longos períodos realizando a mesma tarefa podendo sofrer lesões por esforço repetitivo. No futuro as máquinas vão ter que trabalhar cada vez mais perto dos humanos em ambientes não estruturados, logo, é preciso ser seguro para humanos trabalharem próximo delas. Nesse sentido, o campo de interação humano-robô (IHR) surgiu para integrar humanos e robôs no ambiente de trabalho e tornar possível realizar tarefas que nenhum dos dois conseguiria realizar sozinhos. Para aumentar a segurança, robôs manipuladores complacentes que permitem ajuste da rigidez das juntas são utilizados. No entanto, o uso seguro e o controle eficiente deles ainda é um desafio a ser resolvido em robótica. Logo, neste trabalho controladores de trajetória recentemente desenvolvidos na literatura são implementados e testados em um robô manipulador complacente e um ambiente de trabalho (framework) para utilizar o robô é desenvolvido. O controle de um robô para realizar tarefas requer sua descrição cinemática de corpo rígido. Existem diferentes métodos para representações de corpos rígidos nas quais a orientação e a translação são tratadas de forma desacoplada. Apesar disso, tais representações não consideram o acoplamento cinemático completo. Isso pode gerar descrições incompletas causando problemas como, por exemplo, singularidades no caso dos uso dos ângulos de Euler. Matrizes de transformação homogênea (MTH) são uma das ferramentas mais utilizadas que acoplam orientação e translação. Entretanto, elas tem um custo computacional elevado. Nesse sentido, os quatérnios duais vem ganhando popularidade nas últimas quatro décadas. Eles realizam a maioria das operações envolvendo movimentações de corpos rígidos com menor custo computacional se comparado com a MTH. Além disso, eles podem ser usados diretamente nas leis de controle sem necessitar converter para outra representação como é o caso da MTH. Logo, quatérnios duais foram utilizados neste trabalho para representar corpos rígidos e implementar controladores de trajetória. Os manipuladores complacentes são uma solução atrativa para aumentar a segurança e aproximar robôs de humanos. No entanto, em aplicações práticas, é preciso que eles entendam tarefas requisitadas pelos humanos, ou seja, precisam seguir trajetórias descritas no espaço de tarefas. Em outras palavras, se uma pessoa for pegar uma caneca de café em uma mesa, ela se preocupa para qual posição sua mão deve se mover e não como cada junta do seu braço deve se deslocar. Logo, os robôs devem deslocar seu efetuador para a posição especificada pelo humano no espaço de tarefas. Portanto, o presente trabalho implementou técnicas de controle cinemático projetadas no espaço de tarefas. Dessa forma, foram implementados seis controladores cinemáticos baseados em quatenios duais para analisar seu desempenho em um robô real e contribuir para seu futuro uso em aplicações de IHR. Eles foram avaliados extensamente no manipulador complacente antropomórfico A2 Arm da Meka Robotics com 7 graus de liberdade disponível no Laboratório de Automação e Robótica (LARA) da Universidade de Brasília (UnB). Os controladores foram implementados em C++ e a estabilidade numérica foi veri_cada no simulador Virtual Robot Experimentation Platform (V-REP). A integração das plataformas robô, computador e simulador foi feita com ROS. As especificações técnicas do robô A2 Arm foram detalhadas ao longo deste trabalho e o framework para facilitar o desenvolvimento de trabalhos futuros foi estabelecido. Dois controladores proporcionais com e sem termo de antecipação apresentaram desempenho aceitavel em relação a norma do erro com um ajuste simples de ganho, apesar disso só possuem um parâmetro que otimiza o erro sem considerar as velocidades das juntas e do efetuador. Entretanto, em IHR os manipuladores trabalham próximos aos humanos que devem se sentir confortáveis próximo dos robôs, logo, eles devem realizar trajetórias mais suaves com menores picos de velocidade. Portanto, foram implementados dois controladores do tipo regulador quadrático linear (RQL) que permitiram balancear entre velocidade do efetuador e esforço de controle além de ter apresentado erro inferior comparado aos controladores proporcionais. Por fim, para considerar perturbações externas e incertezas de modelo, dois controladores H1 foram implementados e forneceram o melhor desempenho de erro sem gerar velocidades excessivamente altas. A desvantagem dos controles H1 e RQL foi o ajuste de ganhos que em algumas situações precisou variar durante a trajetória. Os controladores também foram avaliados do ponto de vista do período de amostragem utilizado. São apresentados histogramas do período de amostragem para 20 ms e 8 ms. Percebeu-se que o módulo de controle conseguiu manter um período próximo do desejado. Entretanto, em trabalhos futuros podem ser explorados os módulos de controle de baixo nível do robô para facilitar a escolha do período de amostragem utilizados nos módulo de controle de trajetória de alto nível implementados. Logo, este trabalho verificou que os controladores cinemáticos podem ser aplicados em um manipulador complacente real e forneceu resultados para comparar controladores sofisticados com outros métodos clássicos de controle. Além disso, gerou um ambiente de programação que facilitará futuros trabalhos no LARA envolvendo o robô A2 Arm. Portanto, conclui-se que, apesar da implementação dos controladores e do framework poderem ser melhoradas no futuro, houve sucesso no desenvolvimento do ambiente de trabalho e no uso dos controladores de trajetória para um robô real complacente.