Application of Dual Quaternion for Bimanual Robotic Tasks - Thèses Université Clermont Auvergne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Application of Dual Quaternion for Bimanual Robotic Tasks

Application des quaternions duaux aux tâches robotiques bi-bras

Rohit Chandra
  • Fonction : Auteur

Résumé

The classical approach for dual-arm cooperative task space control was revisited and the symmetric formulation of dual arm coordination using virtual sticks was implemented using screw-based kinematics with dual quaternion representation. The proposed coupled control of cooperative task space, i.e. simultaneous control of both position and orientation setpoints of relative and absolute task space was compared against the performance of a proportional decoupled controller treating position and orientation error separately. The coupled controller demonstrated better tracking of pose and orientation in terms of accuracy and stability compared to the decoupled controller for tasks requiring faster operation in the relative task space of dual-arm manipulators.The cooperative task space modelling and control approach using screw-based kinematics and dual quaternions were extended for the cooperation modelling of the fingers of an anthropomorphic robotic hand. Additionally, the coupling of joints in the underactuated fingers of the robotic hand was represented with a coupled finger Jacobian. The coupled Jacobian of the robotic finger was used for inverse kinematic control, while allowing easy integration with a robotic arm.The idea of coupled treatment of position and orientation variables was capitalized further with the design of a second-order trajectory tracker using dual quaternions. The trajectory controller hence designed was capable of tracking pose, velocity and acceleration setpoints for the end-effector using inverse dynamic model of the robot. The coupled resolved rate acceleration controller was found to be capable of tighter trajectory control, specially for error terms related to orientation, compared to the conventional decoupled controller that treated the position and orientation setpoints separately and ignored the inherent effect of rotation on translational motion. Additionally, it also led to lower oscillations in the joint torque command when implemented for the control of one of the arms of Baxter dual-arm robot.Finally, a complete framework for the coordination of bi-arm robotic systems was proposed with the addition of a cooperative task planner. The simplicity of screw theory was exploited additionally for parametrized generation of generalized second order trajectories for tasks requiring simplified motion, like translation, rotation and screw motion around an arbitrary 6D screw-axis given in a known reference frame. The trajectory generation method was extended to represent the constraints related to tasks involving contact between objects using the concept of virtual mechanism.
L'approche classique pour le contrôle coopératif dans l’espace de travail d’un manipulateur bi-bras a été revisitée. En particulier, une nouvelle approche pour la formulation symétrique de la coordination bi-bras à l'aide du concept "virtual sticks" a été proposée à l'aide d'un torseur cinématique en utilisant des quaternions duaux. Le contrôle couplé dans l'espace de travail coopératif qui est proposé, i.e. le contrôle simultané, en position et en orientation, des points de consigne de l'espace de travail relatif et absolu a été comparé à un contrôleur proportionnel découplé traitant séparément les erreurs de position et d'orientation. Le contrôleur couplé a démontré un meilleur suivi de la pose et de l'orientation en termes de précision et de stabilité comparé au contrôleur découplé pour les tâches exigeant un fonctionnement plus rapide dans l'espace de travail relatif des manipulateurs bi-bras.L'approche de modélisation et de contrôle de l'espace de travail d’une tâche coopérative, en exploitant les torseurs cinématiques et des quaternions duaux, a été étendue à la modélisation de la coopération des doigts d'une main robotique anthropomorphique. De plus, le couplage des articulations des doigts sous-actionnés de la main robotique a été représenté à l’aide de la "jacobienne couplée" du doigt. La "jacobienne couplée" du doigt robotique a été utilisée pour le contrôle cinématique inverse, tout en lui permettant une intégration facile avec un bras robotique.L'idée d'un traitement couplé des variables en position et en orientation a été capitalisée en utilisant la conception d'une trajectoire de second ordre utilisant des quaternions duaux. Le contrôleur de trajectoire ainsi conçu est capable de suivre les points de consigne en pose en vitesse et en accélération, de l'effecteur en utilisant le modèle dynamique inverse du robot. Le contrôleur couplé en taux d’accélération résolue ("resolved rate acceleration") s'est avéré capable d'un contrôle de trajectoire plus précis, particulièrement en termes d'erreurs liées à l'orientation, que le contrôleur découplé classique qui traitait séparément les points de consigne en position et en orientation et ignorait l'effet de la rotation sur le mouvement de translation. De plus, cela a également permis de réduire les oscillations de la commande du couple des articulations lorsque le contrôleur a été implémenté pour le contrôle de l'un des bras du robot bi-bras Baxter.Enfin, un cadre complet pour la coordination des systèmes robotiques bi-bras a été proposé avec l'ajout d'un planificateur de tâches coopératives. La simplicité du torseur cinématique a également été exploitée pour la génération de trajectoires généralisées du second ordre pour des tâches nécessitant un mouvement simplifié, comme la translation, la rotation et la torsion autour d'un axe hélicoïdale arbitraire donné dans un repère connu. La méthode de génération de trajectoires a été étendue pour représenter les contraintes liées aux tâches impliquant un contact entre les objets en utilisant le concept de mécanisme virtuel.
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Dates et versions

tel-02481648 , version 1 (17-02-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02481648 , version 1

Citer

Rohit Chandra. Application of Dual Quaternion for Bimanual Robotic Tasks. Automatic. Université Clermont Auvergne [2017-2020], 2019. English. ⟨NNT : 2019CLFAC042⟩. ⟨tel-02481648⟩
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