Modelling and control of kinematically complex robotic systems

Abstract

This thesis is concerned with modelling and control of kinematically complex robotic systems. The thesis is divided into four main parts. Part I is concerned with a large class of robotic systems, namely vehicle-manipulator systems. One application of such systems is teleoperation in a distant environment. We are mainly concerned with efficient and intuitive teleoperation of vehicle-manipulator systems. The main contribution of this part is a control allocation approach to teleoperation which results is smoother and more efficient control, as well as faster and more intuitive operation. Part II deals with robotics-assisted minimally invasive surgery (RAMIS). Specifically we address the constraints imposed by the entry point of RAMIS, which are commonly referred to as the Remote Center of Motion (RCM). The manipulator kinematics with velocity constraints are presented analytically. In Part III, we present a detailed study on the effects of passive joints on manipulators. Both serial and parallel manipulators are investigated. We find that, for serial manipulators, we can deal with passive joints in controller while we have to consider the effects of the passive joints in the design of parallel manipulators. In Part IV, we propose a new agricultural platform that is developed by our group. CAN and CANopen have been implemented, which makes the robot very versatile. It also makes it easy to expand and adapt the robot for many different applications.

Denne oppgaven omhandler modellering og regulering av roboter med komplekse kinematiske strukturer. Oppgaven er delt inn i fire hoveddeler. Del I omhandler en stor gruppe robotsystemer kalt kjøretøy-manipulator systemer. En anvendelse av slike systemer er fjernstyring. Vi er først og fremst interessert i effektiv og intuitiv fjernstyring av kjøretøy-manipulator systemer. Det største bidraget i denne delen er en «control allocation» tilnærming til fjernstyring som resulterer i en jevnere og mer effektiv regulering av roboten, så vel som raskere og mer intuitiv styring. Del II omhandler robotisert kikkhullskirurgi (RAMIS). Vi adresserer spesifikt de kinematiske begrensninger som følger av RAMIS, som er ofte referert til som «Remote Center of Motion» (RCM). Manipulatorens kinematikk med hastighetsbegrensninger presenteres analytisk. I del III presenterer vi en detaljert studie av effekten av passive robotledd. Både manipulatorarmer og parallelle strukturer blir undersøkt. Vi konkluderer at for manipulatorarmer kan vi håndtere passive ledd i styringssystemet, mens vi må håndtere virkningene av passive ledd i designet av parallelle manipulatorer. I del IV foreslår vi en ny landbruksplattform som er utviklet av vår forskergruppe. CAN og CANopen er implementert, noe som gjør roboten veldig allsidig. Det gjør det også enkelt å utvide og tilpasse roboten for mange forskjellige bruksområder.