• Título:  DYNAMIC VISUAL SERVOING OF ROBOT MANIPULATORS: OPTIMAL FRAMEWORK WITH DYNAMIC PERCEPTIBILITY AND CHAOS COMPENSATION
• Autor:  Pérez Alepuz, Javier
• Universidad:  Universidad de Alicante
• Departamento:  Instituto Universitario de Investigación Informática
• Fecha de Lectura:  01/09/2017
• Programa de doctorado:  Programa de Doctorado en Informática por la Universidad de Alicante
• Dirección: 
  • POMARES BAEZA, JORGE (DIRECTOR)
  • GARCÍA GÓMEZ, GABRIEL JESÚS (CODIRECTOR)
• Tribunal: 
  • Candelas Herías, Francisco Andrés (PRESIDENTE)
  • Payá Castelló, Luis (SECRETARIO)
  • Felicetti, Leonard (VOCAL)
• Descriptores: 
  • ROBOTICA
  • INGENIERIA DE CONTROL
• Fichero de tesis:
• http://hdl.handle.net/10045/72433
• Resumen:
  MOTIVACIÓN Los sistemas de visión artificial de hoy en día están integrados en un gran número de aplicaciones industriales como una forma de detectar defectos en las líneas de producción, reconocimiento de objetos/patrones y métodos de exploración de superficies, entre otros usos. Dentro de estas aplicaciones industriales, es importante resaltar los sistemas de control visual para la manipulación de manipuladores robotizados. El objetivo principal de los sistemas de control visual es el uso de visión por computador como un método para guiar a los robots. Estos sistemas de control se alimentan con la información adquirida por una o varias cámaras, de tal manera que dicho controlador determina las acciones de control para mover el manipulador durante su tarea. Como se describe en la tesis, los sistemas de servo visual están ampliamente extendidos, no sólo en los laboratorios de investigación, sino también en una amplia gama de aplicaciones, desde la robótica industrial hasta la robótica de servicio. Uno de los aspectos que favoreció el crecimiento de los sistemas de control visual, su difusión y extensión de sus aplicaciones es el aumento de las capacidades de captura y procesamiento de las cámaras actuales, así como el equipo utilizado para el procesamiento de datos. Esto ha permitido computar una mayor cantidad de información en menos tiempo, evitar posibles retrasos y guiar al robot de una manera suave. A pesar de los esfuerzos de la última década para mejorar diferentes aspectos en el desarrollo de estos sistemas de control visual, aún hoy en día existe un gran número de líneas abiertas de investigación, donde algunos como la mejora del comportamiento de los denominados sistemas de control visual directos. Estos controladores son diferentes con respecto a los indirectos o cinemáticos por el hecho de tener en cuenta la dinámica del robot. La acción de control de los sistemas de control visual directo calcula los pares de las articulaciones que se van a aplicar al manipulador guiado. De esta manera, se elimina el bucle interno de retroalimentación de los motores y, por tanto, se utiliza la realimentación empleada para generar directamente las corrientes o pares de torsión que se aplican al robot durante el seguimiento. La Tesis presenta un framework óptimo basado en el control para definir leyes de control visual directo basado en imagen (Pomares, Jara, Perez, & Torres, 2015). Los controladores basados en imágenes propuestos permiten no sólo realizar el posicionamiento, sino también el seguimiento de trayectorias empleando información bidimensional de la retroalimentación. Como se describe a lo largo de la Tesis, el framework permite generar diferentes leyes de control con diferentes características dinámicas y precisiones. Además, este framework permite la unificación de sistemas de control visuales directos basados en imagen para el seguimiento de trayectorias. Otro aspecto abordado en esta Tesis es la detección y elusión de las singularidades cuando se está realizando un seguimiento visual. Es bien sabido que las situaciones en las que el Jacobiano de un robot no tiene inversa existen. En otras palabras, es singular. Cuando esto sucede, las velocidades calculadas para las articulaciones son infinitas, situación que en la vida real no puede suceder ya que los motores sólo pueden dar un par limitado. Por esta razón, las situaciones singulares deben ser estudiadas con el objetivo de evitarlas. Singularidades por lo general corresponden a los límites en el espacio de trabajo o cuando dos o más enlaces están alineados. Causan pérdida de grados de libertad, es decir, posiciones en el espacio 3-D donde el efector final del manipulador no puede alcanzar. La bibliografía generalmente aplica el concepto de manipulabilidad en un intento de detectar tales singularidades, o incluso desarrollar estrategias para evitarlas. Algo similar a esto sucede cuando las singularidades aparecen en el espacio de la imagen. Los sistemas de control visual basados en imágenes emplean el concepto de matriz de interacción que relaciona la variación con respecto al tiempo de las características visuales extraídas con la velocidad relativa de la cámara que observa tales características. Para las singularidades de la imagen, ciertos movimientos de la cámara - situados en el efector final del robot - no pueden ser percibidos usando las características extraídas. La perceptibilidad es una función escalar que proporciona información acerca de la posibilidad de que el sistema de visión perciba el movimiento dentro de su campo de visión usando solamente información cinemática. El concepto de perceptibilidad se ha propuesto previamente como una medida de la proximidad a las singularidades de la imagen. Esta Tesis define el concepto de perceptibilidad dinámica (Perez, Alabdo, Pomares, Garcia, & Torres, 2016). Este concepto constituye una extensión de la perceptibilidad para tener en cuenta las características dinámicas del robot empleado a la hora de implementar nuevos controladores (Alabdo, Perez, García, Pomares, & Torres, 2015). La última sección principal de la Tesis realiza la extensión de desarrollos previamente definidos para el guiado de vehículos espaciales y manipuladores espaciales de base flotante (Perez, Emami, & Pomares, 2016; Perez, Pomares, & Emami, 2016). DESARROLLO TEÓRICO La Tesis presenta un framework óptimo con perceptibilidad dinámica y compensación de caos para el control de robots manipuladores. El objetivo fundamental de este framework es obtener una variedad de leyes de control para implementar sistemas de control visual dinámicos. Además, esta Tesis especifica diferentes contribuciones como son el concepto de perceptibilidad dinámica usada para evitar singularidades en imagen y articulares, el framework mismo, que implementa un delayed feedback controller para la compensación de caos y la extensión del framework para sistemas robóticos espaciales. La mayoría de los sistemas de control visual basados en imagen implementados hasta la fecha son indirectos, significando que la acción de control son velocidades a aplicar en las articulaciones o en el extremo del robot para conseguir un posicionamiento con respecto al objeto observado. El control directo de los motores para cada articulación es llevado a cabo por el controlador interno del robot, que traduce estas velocidades en pares articulares. Esta Tesis principalmente afronta el control visual directo basado en imagen para el seguimiento de trayectorias. En este caso, para seguir una trayectoria previamente especificada en el espacio imagen, la acción de control es definida como un vector de pares articulares. El framework detallado en la Tesis permite obtener diferentes leyes de control para sistemas de control visual directo basado en imagen. También integra el concepto de perceptibilidad dinámica dentro de dicho framework para evitar singulares articulares y en imagen. Además, un delayed feedback controller es también integrado para compensar el comportamiento caótico de sistemas redundantes y así obtener un movimiento más suave y eficiente del sistema. Como extensión del framework, la dinámica de sistemas espaciales de base flotante es considerada a la hora de obtener las leyes de control, siendo posible determinar trayectorias para sistemas que no tienen la base anclada a ningún sitio. Todos estos diferentes pasos son descritos a lo largo de la Tesis. La Tesis describe en detalle todos los cálculos para desarrollar el framework de control visual y la integración de las diferentes técnicas de optimización descritas. Resultados en simulación y experimentales se muestran para cada paso, desarrollando los controladores en una FPGA para mayor optimización, ya que éste tipo de arquitecturas permiten reducir latencias y pueden ser fácilmente adaptables para controlar cualquier robot articular simplemente modificando ciertos módulos que dependen del hardware. Esta arquitectura es modular y se puede adaptar a los cambios que pueden ocurrir como consecuencia de la incorporación o modificación de un controlador, o incluso a los cambios en la configuración del sistema de adquisición de datos o su estrategia de control. Esta implementación, no es sin embargo contribución de esta Tesis, pero se hace necesario describir brevemente la arquitectura para entender el potencial del framework. Dos robots fueron usados para los resultados experimentales. Un robot comercial: Mitsubishi PA10, y otro robot planar de tres grados de libertad, siendo este último diseñado e implementado en el grupo de investigación donde la Tesis ha sido escrita. CONCLUSIÓN La investigación presentada a lo largo de la Tesis se ha enfocado en el desarrollo de un framework de control visual basado en imagen basado en un control óptimo y su extensión para la evitación de singularidades, así como su aplicación a una variedad de robots manipuladores diferentes, como manipuladores flotantes. Tanto el framework, como las extensiones desarrolladas, constituyen las principales aportaciones que se sintetizan en los próximos párrafos, junto con las principales conclusiones obtenidas a lo largo de la Tesis. Se propone un framework óptimo para definir nuevos controladores visuales dinámicos para llevar a cabo el guiado de robots manipuladores. El método general propuesto emplea un control óptimo para definir el comportamiento deseado en el espacio articular, basado en una función de coste indicada que determina cómo se distribuye el esfuerzo de control sobre las articulaciones. El enfoque propuesto permite derivar sistemas de control visual directo basado en imagen conocidos, tales como el basado en dinámica inversa. Sin embargo, se pueden obtener nuevos controladores visuales directos con diferentes propiedades dinámicas y de precisión. Una vez que se ha definido el framework, se amplía para permitir que realice el control de robots manipuladores redundantes. Esta extensión permite integrar diferentes funciones de peso adicionales, con el objetivo de evitar singularidades del robot, singularidades de la imagen, o incluso evitar el comportamiento caótico de las articulaciones típico de tales sistemas. Se pueden generar diferentes controladores dependiendo de la función de peso W. Como se indica a lo largo de la Tesis, el mejor comportamiento ocurre cuando W=M^(-1). En contraste, cuando W=I, el controlador es mucho más simple y fácil de implementar. El uso de W=D permite indicar qué articulaciones soportarán los pares más fuertes. El framework también permite ajustar diversos comportamientos de seguimiento de trayectorias para adaptarlos a cada situación. Otra importante contribución de la Tesis es el concepto de perceptibilidad dinámica. Este parámetro permite detectar situaciones en las que el robot está cerca de una singularidad en la imagen o en el robot. La perceptibilidad dinámica se representa como elipses, e indica la capacidad de movimiento del robot para cada punto característico en la imagen cuando se realiza el control visual. El concepto de perceptibilidad dinámica permite integrar la información dinámica del robot, de manera que las elipses muestren qué direcciones del movimiento son más adecuadas según las restricciones cinemáticas y dinámicas, así como la configuración de las características en la imagen para cada momento. La forma de las elipses permite tener información, por ejemplo, de la proximidad del robot a una configuración singular tanto en el espacio de la articulación como en el espacio de la imagen. Esta información es empleada por los controladores diseñados con el propósito de no solo detectar sino también evitar singularidades durante el seguimiento. Un comportamiento caótico articular ocurre cuando, al realizar una trayectoria repetitiva de la trayectoria en la imagen, el regulador calcula un movimiento imprevisible y no periódico en el espacio articular. En el framework propuesto se integra también un término controlador de caos con el objetivo de determinar las mejores referencias para que el efector final del robot y sus articulaciones se comporten de manera correcta (un comportamiento periódico y repetitivo a nivel de conjunto). Los resultados muestran que los controladores dinámicos no sólo logran correctamente el seguimiento de trayectorias periódicas en el espacio Cartesiano, sino que también son capaces de evitar el comportamiento caótico presente en tales sistemas. La última parte de la investigación consistió en la extensión del framework para el control visual directo de satélites espaciales y robots manipuladores en el espacio. La dinámica de tales sistemas se integra en el framework para, posteriormente, evaluar su comportamiento para el seguimiento de trayectorias. Cabe señalar que para obtener una simulación correcta del comportamiento de estos robots es necesario tener en cuenta no sólo su dinámica, sino también la dinámica orbital en la que se realiza la tarea. BIBLIOGRAFÍA Alabdo, A., Perez, J., García, G. J., Pomares, J., & Torres, F. (2015). FPGA-based architecture for direct visual control robotic systems. Mechatronics. Perez, J., Alabdo, A., Pomares, J., Garcia, G. J., & Torres, F. (2016). FPGA-based visual control system using dynamic perceptibility. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 41, 13–22. Perez, J., Emami, M. R., & Pomares, J. (2016). Direct image-based visual servoing of free-floating space manipulators. Aerospace Science and Technology, 55, 1–9. Perez, J., Pomares, J., & Emami, M. R. (2016). Image-based control of satellite-mounted robot manipulators. In 2016 7th International Conference on Mechanical and Aerospace Engineering (ICMAE) (pp. 346–351). Pomares, J., Jara, C. A., Perez, J., & Torres, F. (2015). Direct visual servoing framework based on optimal control for redundant joint structures. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 16(2), 267–274.