Doctoraatsverdediging

Faculteit Ingenieurswetenschappen
Robot Skills: Design of a Constraint-Based Methodology and Software Support (Robot vaardigheden: Ontwerp van een beperkingsgebaseerde methodologie en software ondersteuning)
Doctorandus/a PhD student
  Naam: Ruben Smits
Promotie / Defence
  Wanneer: 17.05.2010, 14u00
  Taal van verdediging: Nederlands
  Waar: aula van de Tweede Hoofdwet, 01.02, Kasteelpark Arenberg 41, 3001 Heverlee
 
Promotor / Supervisor
  Prof. dr. ir. Joris De Schutter (promotor)
  Prof. dr. ir. Herman Bruyninckx (mede-promotor)
 
Samenvatting van het onderzoek / Summary of Research

De tijd waarin robots enkel gebruikt werden om hun eindpunt te bewegen van punt A naar punt B, via punt C, veilig achter een hekwerk, is voorgoed voorbij.  Tegenwoording moeten robots objecten grijpen, verplaatsen en manipuleren met twee armen.  Tegelijkertijd moeten de robotsop een gecontroleerde en veilige afstand blijven van mensen en kwetsbare objecten in hun omgeving, of bewegen tijdens fysieke interactie met mensen. Deze taken moeten bovendien allemaal zo optimaal mogelijk uitgevoerd worden.  Industriële robotarmen met zes vrijheidsgraden worden vervangen door mobiele platformen met twee redundante armen, beide uitgerust met krachtsensoren, grijpers met drie vingers en contactsensoren, een hoofd met cameras, laserscanners, inertiële sensoren, etc.In de komende jaren zal de werkomgeving van robotsystemen evolueren vande industriële werkcel naar huiselijke, ongestructureerde en bevolkte omgevingen.  Om het hoofd te bieden aan deze toenemende complexiteit is niet alleen een zeer modulaire methodologie voor bewegingsspecificatie nodig, ook de online bewegingscoördinatie wordt zeer belangrijk om met de dynamisch veranderende omgeving waarin het robotsysteem moet werken om te  gaan.Dit proefschrift presenteert een zeer modulaire controlehiërarchie voorde coördinatie van beperkingsgebaseerde bewegingsspecificatie, wat we robotvaardigheden noemen. De gepresenteerde controlehiërarchie is geschikt voor een grote verscheidenheid aan robotsystemen, sensoren en taken. Om modulaire robotvaardigheden mogelijk te maken, moet onderliggend een modulaire bewegingsspecificatiemethodologie gebruikt worden.  iTaSC, of instantaneous Task Specification using Constraints (ogenblikkelijke taakspecificatie door middel van beperkingen), is zo’n modulaire methodologie die ons in staat stelt om gewenste beweging te specifiëren door enkel die beperkingen op te leggen op deinteractie tussen de robot en zijn omgeving, die belangrijk zijn voor de huidige taak. Dit proefschrift breidt de iTaSC methodologie uit zodat niet alleen geometrische beperkingen in kenmerkruimtes, opgebouwd uit exact zes onafhankelijke geometrische coördinaten, opgelegd kunnen worden, maar  ook beperkingen gespecifieerd kunnen worden in eender welke  kenmerkruimte waarvoor een interactiemodel opgesteld kan worden. De  berekening van een robotbeweging uit de gespecifieerde beperkingen  kan veel rekentijd vragen voor robotsystemen die veel bekrachtigde  gewrichten bevatten, zoals humanoïde robots. Daarom is de zoektocht  naar efficiënte algoritmen nog steeds aan de gang. Dit proefschrift   behandelt één van de meest baanbrekende algoritmen voor versnellings-  en beperkingsgebaseerde hybride dynamica, en legt uit hoe het algoritme  uitgebreid kan worden voor kinematische boomstructuren, en hoe het gebruikt kan worden om een iTaSC-bewegingspecificatie op te lossen.Steeds van nul beginnen om software te ontwerpen voor elke nieuwe (complexe) toepassing of voor elk nieuw (complex) robotsysteem, is een  zeer omvangrijke taak. Daarom zijn herbruikbare softwarecomponenten en  formele representaties nodig voor zowel de robotsystemen als de  taken die uitgevoerd moeten worden. Dit proefschrift introduceert een  componenten-gebaseerde, modulaire architectuur voorde volgende  generatie van robotcontrolemodules. De voorgestelde architectuur is  gebaseerd op de uitgebreide iTaSC-bewegingsspecificatie en -coördinatie. Dit proefschrift bevat tevens een formele representatie voor  robotsystemen en hun bewegingsspecificatie om de creatie van  uitwisselbare bestandsformaten voor de specificatie van  robotvaardigheden te vergemakkelijken. 
The days when robots were only used to move their endpoint from point Ato B, passing through point C, safely hidden behind a fence, are over. Nowadays robots have to grasp objects, move them around, manipulate themusing two arms, while keeping controlled distances from humans and fragile objects or even during physical interaction with humans. Furthermore, all these tasks have to be executed as optimally as possible.  Six degrees-of-freedom industrial arms are being replaced by mobile platforms with two redundant arms, both equipped with force sensors, three-fingered grippers with touch sensors, a head with cameras, laser scanners, inertial sensors, etc. In the coming years the habitat of robotic systems will evolve from the industrial work cells to domestic, cluttered and populated environments.  To cope with the increasing complexity, not only a highly modular  methodology for motion specification is needed.  Also the online motion coordination becomes very important since it has to cope with the dynamically changing environment in which the robotic system works.This thesis presents a highly modular control hierarchy for the coordination of constraint-based motion specification that can be used with a high variety of sensors, robotic systems and tasks. To create a highly modular coordination system, a modular motion specification methodology needs to be used as the underlying framework.  iTaSC, or instantaneous Task Specification using Constraints, is such a modular framework thatallows us to specify motion by imposing those constraints on the interaction between the robot and the environment that are important for the task at hand. This thesis extends the iTaSC methodology to not only allowthe specification of constraints in feature spaces, which are built up from exactly six independent geometric coordinates, but to allow the specification of constraints in any feature space for which an interaction model can be found. Calculating the robot motion from the specified constraints can be very computationally expensive in systems that include a lot of actuated joints, such as humanoid robots.  Therefore the quest for efficient algorithms is still ongoing.  This thesis discusses one of the most ground-breaking algorithms for acceleration-based constrained hybrid (combination of forward and inverse) dynamics, and explains how it can be extended for tree-like kinematic robot structures and how it can be used to solve an iTaSC motion specification.Building software support for the new generation of robot applications from scratch for each new robotic system, or each new application is a very elaborate task.  Therefore reusable software components and formal  representations of both the robotic system and the task to be executed  are mandatory.  This thesis presents a component-based modular  architecture for the next generation of robot controllers based on the  extended iTaSC motion specification and coordination.  A formal representation for robotic systems and their motion specification is presented to facilitate the creation of interchangeable file formats for the specification of robot skills.

 
Volledige tekst van het doctoraat / full text
https://lirias.kuleuven.be/handle/123456789/265542

 
Examencommissie / Board of examiners
  Prof. dr. ir. Joris De Schutter (promotor)
  Prof. dr. ir. Herman Bruyninckx (mede-promotor)
  Prof. dr. Adhemar Bultheel (voorzitter/chairman)
  Prof. dr. ir. Joost Duflou (secretaris/secretary)
  Prof. dr. ir. Jozef Vander Sloten
  Prof. dr. Klas Nilsson , Lund University
  Prof. dr. Johan Baeten , KHLimburg
  Prof. dr. Michael Beetz , Technical University Munich Germany