Minimum-time path planning for robot manipulatorsusing path parameter optimization with externalforce and frictions

Abstract

Çok az sayıda araştırmacı geçmişte endüstriyel süreçlerde kullanılan robotlar için yol planlama problemine odaklanmıştır. Yol planlama çözümünün temel önemi endüstriyel robot teknolojisi ve Mekatronik gibi alanlarda birçok önemli mühendislik uygulamasına sahip olmasından kaynaklanmaktadır çünkü robotlar günümüzde uzay ve otomotiv endüstrileri de dâhil olmak üzere birçok endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tezin amacı, robotik işlemcilerde uygulanabilen minimum-zamanlı gidiş yolu ve yörünge için yeni bir planlama yöntemi sunmaktır. Dış kuvvetler aktüatörlerin giriş gerilimine maruz kalırken, Kartezyen-uzaydan işlemcilere istendik bir yoldan oluşan dinamik kısıtlamaları olduğu için Kartezyen-uzayda kullanılırlar. Mevcut süreçlerin birçok sınırlılığı ve kısıtlamaları vardır; bununla birlikte, mevcut tez, tork ve kuvvet limitleri dahil olmak üzere robot teknolojisinin dinamiklerini göz önünde bulundurarak minimum-zamanlı yol planlama için yöntemlerin nasıl geliştirileceğini göstermektedir. Bu amaçla, dış kuvvet ve sürtünmenin varlığında minimum zaman kontrolünü hesaplamak için yol parametresi optimizasyon algoritmasını kullandık. Bu çalışmadaki ana ilgi konusu, bilinmeyen yol parametresi olan bir yoldur. Bu parametre zamanın ve bilinmeyen vektörün bir fonksiyonudur ve optimizasyon için kullanılır. Bu tezde, optimizasyon algoritması, hareket denklemleri ve bunun yanı sıra sırasıyla açısal hız, açısal ivme, açısal sarsıntı, giriş aktüatör torkları, giriş voltajı ve final zamanı sınırlamalarına tabii bir optimizasyon problemine dönüştürülmüştür. Sunulan algoritmanın planlama sürecini yönetmek için, görevin final zamanı süreci kolaylaştırmak için bölünmüştür. Final zamanı, optimizasyon probleminde bilinmeyen ilave bir değişkendir. Algoritma, yol parametresini optimize ederek final zamanını en aza indirmeye çalışır, bu nedenle bilinmeyen bazı parametrelerle zamanın bir fonksiyonuna dönüşür. Özet olarak, algoritma izin verilen bir aralıkta düzgün bir giriş voltajına sahip olabilir, buradan sonrada tüm hareket parametreleri tahmin edilebilir kalır. Buna ek olarak, simülasyon çalışması sunulan yaklaşımın bir Kartezyen referans yolunu takip eden işlemci için yörünge planlaması bakımından yararlı olduğunu göstermektedir. Bu bakış açısı yenidir ve bazıları mevcut literatürde daha öncen de bildirilmiş olan ilginç sonuçlar vermektedir.

In the past, very few researchers focused their efforts on the path planning problem for those robots, which are used in the industrial processes. The main purpose of path planning solution is that it has significant engineering applications in the fields such as industrial robotics and mechatronics because now robots are extensively used in several industries including aerospace and automotive industries. The aim of this thesis is to presents new planning method for minimum-time trajectory, which is applicable in robotic manipulators. They are used in Cartesian-space because they have dynamic constraints, which consist of a desired path from the Cartesian-space to the manipulator while the external forces are subject to the input voltage of the actuators. The existing processes have many limitations and several constraints; however, the current thesis shows how to develop methods for minimum-time path planning keeping in view dynamics of robotics including torque and force limits. For this purpose, we used path parameter optimization algorithm to calculate the minimum-time control in the presence of external force and frictions. The main matter of interest in this work is a path with unknown path parameter. This parameter is a function of time and the unknown vector, and it is used for optimization. In this thesis, the optimization of dynamic system has been converted into an optimization problem, which is subject to the equations of motion as well as limitations of angular velocity, angular acceleration, angular jerk, input actuator torques, input voltage, and final-time, respectively. In order to manage the all-time for the presented algorithm, the final-time of the task has been divided into steps for making the process easier. The final-time is an additional unknown variable in the optimization problem. The algorithm attempts to minimize the final-time by optimizing the path parameter, so it is a function of time with some unknown parameters. In the nutshell, the algorithm can have a smooth input voltage in an allowable range, after which, all the motion parameters remain smooth. In addition, the simulation study shows that the presented approach is useful for the trajectory planning for a manipulator, which follows a Cartesian reference path. This point of view is new and provides interesting results, some of which have been already reported in the existing literature.