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https://hdl.handle.net/1822/81373
Título: | Inspection of deformable objects via robotic manipulation: a learning from demonstration approach |
Autor(es): | Borges, Carlos Alberto Peixoto |
Orientador(es): | Monteiro, A. Caetano Bicho, Estela |
Palavras-chave: | Limites de juntas Manipulabilidade Manipulador robótico Seguimento de trajetórias Singularidades Joint limits Manipulability Robotic manipulator Singularities Trajectory tracking |
Data: | 28-Jul-2022 |
Resumo(s): | A aplicação generalizada da inspeção automática e o interesse crescente pelo controlo de qualidade
impulsionam a procura de sistemas capazes de inspecionar objetos cada vez mais complexos. Neste
âmbito surgiu o projeto de Investigação & Desenvolvimento “IntVIS4Insp”, no qual esta dissertação se
insere. As peças de couro são um exemplo importante do tipo de objetos que este projeto pretende
cobrir, porque implicam manipulação no seu processo de inspeção. Uma abordagem que usa
aprendizagem por imitação, baseada em dois sistemas, pode ser aplicada para automatizar os
movimentos necessários para as inspecionar. Primeiro, um sistema de visão por computador capta as
trajetórias descritas pela mão ativa de um técnico de qualidade. Segundo, um braço robótico (Kuka LBR
iiwa) reproduz as trajetórias anteriormente adquiridas. Esta dissertação foca-se no segundo sistema.
Dois desafios relacionados têm de ser resolvidos no âmbito do seguimento de trajetórias: (i) determinar
como comandar o manipulador, sem exceder limites de juntas ou atravessar singularidades, de modo
que a garra siga a trajetória desejada, ou seja, resolver um problema de equivalência física; (ii) descobrir
como aumentar a distância aos limites das juntas e singularidades por forma a aumentar a capacidade
de o manipulador alterar arbitrariamente a pose da garra durante a execução da trajetória. A resolução
deste segundo problema é essencial para, nas tarefas futuras do projeto IntVIS4Insp (e noutros), ser
possível implementar um sistema de correção da trajetória baseado nas deformações induzidas nas
peças de couro em cada instante. Este último sistema aumentará a robustez da abordagem utilizada.
Para resolver estes dois problemas é proposto um novo método para seguimento de trajetórias que
considera a manipulabilidade. Fundamentalmente, como as trajetórias podem ser realizadas em
diferentes zonas do espaço de trabalho do manipulador, esta liberdade é utilizada com as várias soluções
do problema da cinemática inversa e com a redundância do cotovelo para aumentar a distância aos
limites das juntas e singularidades. Abordagens estado da arte são utilizadas como ponto de partida,
mas são alargadas para considerarem a continuidade do arm angle no limite do seu domínio.
O método proposto foi testado em trajetórias de inspeção reais (em simulação e com o manipulador real)
e os resultados demonstram 3 pontos: (i) as trajetórias foram corretamente reproduzidas; (ii) conseguiu-
-se uma elevada manipulabilidade (distância média mínima de 42,6º aos limites das juntas e
singularidades); (iii) a abordagem utilizada permite induzir as deformações desejadas nos objetos. The widespread application of automatic inspection and the increasing interest in quality control boost the search for systems capable of inspecting increasingly complex objects. In this scope emerged the Research & Development project "IntVIS4Insp", in which this dissertation is inserted. Leather pieces are an important example of the object type this project intends to address because their inspection process involves manipulation. A learning from demonstration approach, based on two systems, can be used to automate the necessary movements to inspect them. First, a computer vision system acquires the trajectories described by the active hand of a quality control technician. Second, a robot arm (Kuka LBR iiwa) reproduces these trajectories. This dissertation is focused on the latter system. Two related challenges must be solved in a trajectory tracking problem: (i) determine how to command the manipulator so that its end-effector follows the desired trajectory without exceeding joint limits and crossing singularities, i.e., to solve a physical equivalence problem; (ii) find out how to increase the distance to joint limits and singularities to enhance the manipulator's capacity to change its tip’s pose arbitrarily during the execution of the trajectory. Solving this second problem is essential so that, in future tasks of the IntVIS4Insp project (and others), it will be possible to implement a trajectory correction system based on the deformations induced in the leather pieces at each instant. The latter system will increase the robustness of the overall learning from the demonstration approach. To solve both these problems, a novel trajectory tracking method considering manipulability is proposed. Fundamentally, as the trajectories can be executed in different zones of the manipulator’s workspace, this freedom is used with the various possibilities for the inverse kinematics problem and the elbow redundancy to increase the distance to joint limits and singularities. State-of-the-art approaches are used as a starting point, but they are extended to consider the continuity of the arm angle in its domain boundary. The proposed method was tested on real inspection trajectories (in simulation and with the actual manipulator), and the results demonstrate 3 points: (i) the trajectories were correctly reproduced; (ii) a high manipulability was obtained (minimum average distance of 42.6° to joint limits and singularities); (iii) the used approach allows to induce the desired deformations in the leather parts. |
Tipo: | Dissertação de mestrado |
Descrição: | Dissertação de mestrado em Engenharia Mecânica (especialização em Sistemas Mecatrónicos) |
URI: | https://hdl.handle.net/1822/81373 |
Acesso: | Acesso aberto |
Aparece nas coleções: | BUM - Dissertações de Mestrado DEM - Dissertações de Mestrado / MSc Thesis |
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