Control of redundant robot manipulators with telerobotic applications

Abstract

This thesis focuses on task-space control of kinematically redundant robot manipulators with telerobotic applications. The first aim is to design asymptotically stable sub-task controllers for kinematically redundant robot manipulators subject to parametric uncertainties in their dynamics. Initially, a novel combined analysis of the task-space tracking and sub-task controllers is performed for redundant robots having only one extra degree of freedom. Next, an extended task-space controller is designed by integrating manipulator Jacobian with the sub-task Jacobian. Both controllers ensure task-space tracking and sub-task objectives at the amount of redundant degree of freedom. As the second aim, two robust control methods are proposed for task-space tracking of robot manipulators. First, a novel continuous robust controller is designed despite dynamic model and Jacobian uncertainties to ensure asymptotic task-space tracking while requiring measurements of joint positions and velocities. Then, a robust output feedback controller is proposed to ensure ultimately bounded task-space tracking requiring neither measurements of joint positions or velocities nor accurate knowledge of kinematic and dynamic models. The third aim is to develop a passive decomposition method for task-space control of bilateral teleoperation systems. The proposed method ensures coordination of master and slave robots while achieving a desired overall motion for the bilateral teleoperation system. The proposed method is firstly considered for teleoperation systems consisting of kinematically similar master and slave robots, then extended to be applicable to kinematically redundant teleoperation systems. Simulation and experimental studies are performed to present the viability of the proposed methods.

Bu tez çalışması kinematik olarak artık eklemli robot kollarının görev uzayında denetlenmesi ve telerobotik uygulamaları üzerine odaklanmaktadır. İlk amaç kinematik olarak artık eklemli robot kollarının dinamik modellerindeki parametrik belirsizliklerine karşı asimptotik kararlı ikincil görev denetleyicileri tasarlamaktır. Öncelikle sadece bir artık serbestlik derecesine sahip robot kollarının görev uzayında takip ve ikincil görev denetleyicilerinin yeni bir birleştirilmiş analizi gerçekleştirilmektedir. Daha sonra ise robot Jakobiyan’ına ikincil görev Jakobiyan’ı ekleyerek uzatılmış bir görev uzayı denetleyicisi tasarlanmaktadır. Her iki denetleyici de görev uzayı takibini ve artık eklem sayısına kadar ikincil görev hedeflerini sağlamaktadır. Bu tezin ikinci amacında robot kollarının görev uzayında denetlenmesi için iki farklı gürbüz denetleyici yöntemi önerilir. Öncelikle eklem pozisyon ve hız bilgilerinin ölçülebildiği durumda dinamik modeldeki ve Jakobiyan’daki belirsizliklere karşı görev uzayı takibinde asimptotik kararlılık sağlayan yeni bir sürekli gürbüz denetleyici tasarlanmaktadır. Daha sonra ise ne eklem pozisyon ve hız bilgilerinin ölçülebildiği ne de dinamik ve kinematik modelin tam olarak bilindiği durumda görev uzayı takibinde sınırlı kararlılık sağlayan çıkış geri beslemeli bir gürbüz denetleyici önerilmektedir. Bu tezin üçüncü amacı ise iki yönlü teleoperasyon sistemlerinin görev uzayında denetlenmesi için pasif ayrıştırma yöntemi geliştirmektir. Önerilen yöntem iki yönlü teleoperasyon sisteminin genel hareketini sağlarken ana ve bağımlı robotların koordinasyonu da sağlanmaktadır. Önerilen yöntem öncelikle kinematik olarak benzer ana ve bağımlı robotlara sahip teleoperasyon sistemleri için düşünülür ve daha sonra artık teleoperasyon sistemleri için geliştirilmektedir. Önerilen tüm yöntemlerin uygulanabilirliğini sunmak için benzetim ve deneysel çalışmalar yapılmaktadır.