Adaptive control of a robot manipulatör by visual data

Abstract

ÖZET GÖRSEL BİLGİ İLE ROBOT MANİPÜLATÖRLERİN ADAPTİV KONTROLÜ KAPUCU Sadettin Doktora Tezi, Makina Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Doç.Dr. Sedat BAYSEÇ Kasım 1994, 142 sayfa Endüstriyel robotlar üzerine yapılan araştımaların büyük bir kısmı kontrol bilgisayalarının manipülatör ve çevresi hakkında daha fazla ve çeşitli bilgi toplamalarını sağlayacak duyu sistemlerini konu almaktadır. Bu bilgiler çevrede oluşan olayları ve değişiklikleri gözlemlemek, yeni şartlara adapte olmak ve gerektiği şekilde cevap vermek için kullanılırlar. Bilinen duyu sistemlerinden görme duyusu en önemli bilgileri sağladığı gibi, öğrenmeye de yardımcı olur. Görme çok önemli bilgiler sağladığı halde görsel bilginin analizi genellikle robrotlann çalıştığı atölye ortamlarında kabul edilemiyecek uzunlukta zamana ihtiyaç duyar. Bu tez herhangi bir konumda ve oryantasyonda duran bir cismin koordinatlarının basit bir görsel sistemle belirlenmesi için amaçlanmıştır. Burada cismin konumu karmaşık görüntü tanımlama teknikleri yerine üzerine konan ve farklı renkler ile algılanan 3 noktanın yeri ile tanımlanır. Noktaların koordinatları bir çift kameradan alınan görüntü üzerinde yapılan fotogrammetri ile belirlenir. Bilgisayara bağlanan herhangibir büyüklük vetopolojideki maniplatörü kontrol etmeye yönelik bir dizi genel amaçlı kontrol programlan hazırlanmıştır. Eklem türleri ve kol parametreleri maniplatörün ucuna konmuş karakteristik bir noktanın kameralar ile takibinden elde edilir. Bu bilgiler toplandıktan sonra sistematik bir şekilde maniplatörün sembolik düz ve ters kinematik denklemleri çıkarılmaktadır. Manipülatörün dinamik özelliklerinin anlaşılması için sistemin her eklem hareketini 2. dereceden bir lineer diferansiyel denklemle tanımlayan ve denklem sabitlerini sisteme verdiği birim adım komutlarına karşı üretilen cevap ile belirleyen bir sistem tanımlama programı hazırlanmıştır. Son olarak kinematik ve dinamik özellikleri belirlenmiş bir manipülatöre yine koordinatları kameralar yardımı ile belirlenmiş cisme uzanması için adım kontrol komutları üreten bir basit program eklenmiştir. Bu tezde öne sürülen fikirler 3 serbestlik dereceli bir hidrolik ağır iş robotunda denenmiş ve test sonuçları ilgili kısımlarda sunulmuştur. Bu tez Gaziantep Üniversitesi Makina Mühendisliği bölümünde yürütülen ve Devlet Planlama Teşkilatı'nın parasal destek verdiği 91 K 120 830 proje numaraslı `Robotlarda Görsel Bilgi Analizi` başlıklı araştırma projesinin bir parçasıdır. Anahtar Kelimeler: Robot kontrol, stereo görüntü, sistem tanımlama. vı

ABSTRACT ADAPTIVE CONTROL OF A ROBOT MANIPULATOR BY VISUAL DATA KAPUCU Sadettin Ph.D. in Mechanical Engineering Supervisor: AssocProf. Dr. Sedat BAYSEÇ December 1994, 142 pages One important research area on robotics is equipping robots with more sophisticated sensory systems such that control computer compiles more extensive data about the environment and the manipulator itself. This extensive data help to monitor the events occurring, to adapt and to respond accordingly. Among the senses known to man, vision is by fer the most important, and helps not only in data compilation but learning as well. Although vision provides an invaluable data, generally its processing takes too much time, not permissible at the shop floor. This thesis aims at putting simpler means of determining the position of an object, defining it not by intricate image identification techniques but by simply specifying it based on 3 non-coinciding spots of distinctive color put on the objects handled, by photogrammetry in stereovision. A set of general purpose control routines are developed to control any size and topology manipulator. The type of joints and link parameters are obtained by incrementing the joint motors and monitoring the corresponding motion of the manipulator tip. Location of the end effector is identified iiiby video cameras searching for a spot of distinctive color at the tip. From this data, equations of forward and inverse kinematics are derived in a systematic and symbolic manner. To identify the dynamics of the manipulator, system identification techniques are used which assume second order linear differential equations for the motion of the joints, coefficients extracted from the response to binary steps, off-line. Lastly, a control program is presented which provides step commands to a manipulator to reach an object whose position is determined visually. The ideas generated are tested on a hydraulic, heavy duty robot manipulator, considering only 3 gross degrees of freedom, providing point positioning in space. This thesis is the major part of a research project entitled Robotlarda Görsel Bilgi Analizi, carried out at Mechanical Engineering Department of Gaziantep University, with the financial support of State Planning Organization of Turkey with project number 91 K 120 830. Keywords: Robot control, stereovision, sistem identification. IV