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Visual Control of Robotic Manipulators

Informazioni tesi

  Autore: Paulo Sequeira Gonçalves
  Tipo: International thesis/dissertation
  Anno: 2005
  Università: Technical University of Lisbon - Instituto Superior Tecnico
  Lingua:
  Num. pagine: 189

The work in thesis aims at the visual control of robotic manipulators, i.e. visual servoing. It is presented the state-of-the-art on the subject and the computer vision tools needed to its implementation. In this thesis are presented six contributions to visual servoing, namely the development of an
experimental apparatus, two dynamic visual servoing controllers, the application of fuzzy filters to kinematic visual servoing, the fuzzy modeling of the robot-camera system and the fuzzy control based on the inverse model.

The experimental apparatus has three different components, namely a planar robotic manipulator with two degrees of freedom, a 50 Hz vision system and the developed software to control and inter-connect the two previous components. The developed experimental apparatus allowed the real-time experimental validation of the controllers proposed in this thesis.

The robot joint actuators are directly driven by dynamic visual
servoing, in opposition to kinematic visual servoing that generates the joint velocities needed to drive the robot, by means of an inner velocity control loop. The first contribution to dynamic visual servoing is an image based control law specially developed to the robot of the experimental apparatus, with the eye-in-hand. The second contribution is a position based control law to the eye-in-hand configuration, applicable to robots with more than two degrees of freedom. For both the controllers the asymptotic stability is demonstrated.

The application of fuzzy logic to image based kinematic visual
servoing, revealed three contributions. With the application of
fuzzy filters to path planning and to regulator control, the
overall performance of visual servoing is improved. The robot
joint velocities diminish at the initial control steps and its
oscillatory behavior is also diminished when the vision sample
time is high. The inverse model of the robot-camera system is
obtained by means of fuzzy modeling. A practical methodology for obtaining the model is also presented. The fuzzy inverse model is directly used as the controller of the robot-camera system, in order to deliver the joint velocities, needed to drive the robot to the desired position. It was also used a fuzzy compensator to compensate possible mismatches between the obtained model and the robot-camera system.

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Cap´ıtulo 1 Introduc¸a˜o O objectivo do presente trabalho e´ o desenvolvimento de te´cnicas para o controlo visual de roboˆs manipuladores. Roboˆs manipuladores sa˜o sistemas dinaˆmicos de elevada complexi- dade que podem utilizar va´rios tipos de sensores para reconhecer o ambiente de trabalho em que se inserem. Nomeadamente, sensores de ultrasons e laser para medir distaˆncias, sensores de forc¸a para reconhecer o contacto com o ambiente de trabalho e caˆmaras para visualizar o ambiente de trabalho na sua globalidade. Actualmente, na indu´stria, os roboˆs manipuladores sa˜o utilizados em ambientes de trabalho especificamente projectados para a sua operac¸a˜o. A utilizac¸a˜o de caˆmaras podera´, num futuro que esperamos pro´ximo, tornar os roboˆs completamente auto´nomos para operar em meios desconhecidos ou difi- cilmente modela´veis. A utilizac¸a˜o da visa˜o por computador em tempo-real para o controlo de roboˆs tem estado constrangida, devido aos elevados requisitos de ca´lculo. De facto, no caso mais geral, para a aplicac¸a˜o de algoritmos de visa˜o por computador e´ necessa´ria uma fase para o processamento de imagem, geralmente dispendiosa em tempo de ca´lculo. No final da de´cada de setenta, data do primeiro sistema de controlo visual, o tempo necessa´rio a` extracc¸a˜o de caracter´ısticas do objecto da imagem era na ordem de dezenas de segundos. A visa˜o era utilizada para obter a posic¸a˜o desejada do objecto, sendo o controlo efectuado em anel aberto em termos do sensor de visa˜o. Desde o in´ıcio dos anos noventa, com o 1

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Parole chiave

computer vision
fuzzy control
fuzzy modeling
robot control
robotics
visual servoing

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