Modeling, control and implementation of a real redundant robot with five Degrees Freedom (DOF) of the SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm) manipulator type is presented. Through geometric methods and structural and functional considerations, the inverse kinematics for redundant robot can be obtained. By means of a modification of the classical sliding mode control law through a hyperbolic function, we get a new algorithm which enables reducing the chattering effect of the real actuators, which together with the learning and adaptive controllers, is applied to the model and to the real robot. A simulation environment including the actuator dynamics is elaborated. A 5 DOF robot, a communication interface and a signal conditioning circuit are designed and implemented for feedback. Three control laws are executed in: a simulation structure (together with the dynamic model of the SCARA type redundant manipulator and the actuator dynamics) and a real redundant manipulator of the SCARA type carried out using MatLab/Simulink programming tools. The results, obtained through simulation and implementation, were represented by comparative curves and RMS indices of the joint errors, and they showed that the redundant manipulator, both in the simulation and the implementation, followed the test trajectory with less pronounced maximum errors using the adaptive controller than the other controllers, with more homogeneous motions of the manipulator.
This paper presents an impact control algorithm for reducing the potentially damaging effects by interation of redundant manipulators with their environments. In the proposed control algorithm, the redundancy is resolved at the torque level by locally minimizing joint torque, subject to the operational space dynamic formulation which maps the joint torque set into the operational forces. For a given pre-impact velocity of the manipulator, the proposed approach is on generating joint space trajectories throughout the motion near the contact which instantaneously minimize the impulsive force which is a scalar function of manipulator's configurations. The comparative evaluation of the proposed algorithm with a local torque optimization algorithm with a local torque optimization algorithm without reducing impact is performed by computer simulation. The simulation results illustrate the effectiveness of the algorithm in reducing both the effects of impact and large torque requirements.
This paper presents an impact control algorithm for reducing the potentially damaging effects by interation of redundant manipulators with their environments. In the. proposed control algorithm, the redundancy is resolved at the torque level by locally minimizing joint torque, subject to tire operational space dynamic formulation which maps tire joint torque set into the operational forces. For a given pre-impact velocity of the manipulator, the proposed approach is on generating joint space trajectories throughout the motion near the contact which instantaneously minimize the impulsive force which is a scalar function of manipulator's configurations. This is done by using the null space dynamics which does not affect the motion of an end-effector. The comparative evaluation of the proposed algorithm with a local torque optimization algorithm without reducing impact is performed by computer simulation. The simulation results illustrate the effectiveness of the algorithm in reducing both the effects of impact and large torque requirements.
In a number of fields, robots are being used for two purposes: efficiency and safety. Most robots, however, have single-actuator mechanism for each joint, where the tasks are performed with high stiffness. High stiffness causes undesired problems to the environment and robots. This study proposes redundant actuator mechanism as an alternative idea to cope with these problems. In this paper, Double-Actuator Unit (DAU) is implemented at each joint for applications of multi-link manipulators. The DAU is composed of two motors: the positioning actuator and the stiffness modulator, which enables independent control of positioning and compliance. A three-link manipulator with DAUs enables adaptive control of RCC. By modulating the joint stiffness of the manipulator and controlling the position of RCC, we can significantly reduce contact force during assembly tasks and surgical procedures.
In this paper, the torque optimization of a kinematically redundant manipulator for minimizing the torque demands is discussed. The minimum torque solution based on a local optimization has been known to encounter the instability problem and then the global torque optimization was suggested as one of the alternatives. Herein, by adopting the infinity-norm rather than the 2-norm for the magnitude of torques, we are to propose a new cost function more advantageous to the avoidance of torque limits. By the way, a solution to the global torque optimization formulated with the new cost function can not be obtained by the previous methods due to their difficulties such as inability to treat discontinuous cost functions and various constraints on the joint variables. Thus, to overcome those deficiencies, we are developing a new approach using the dynamic programming. The effectiveness of the proposed method is shown through simulation examples for a 3-link planar redundant manipulator.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.10
no.10
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pp.869-877
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2004
This paper deals with motion planning algorithm for kinematically redundant manipulators that are not fixed to the ground. Differently from usual redundant manipulators fixed to the ground, the stability issue should be taken into account to prevent the robot from falling down. The typical ZMP equation, which is employed in human walking, will be employed to evaluate the stability. This work proposes a feed forward ZMP planning algorithm. The algorithm embeds the 'ZMP equations' indirectly into the kinematics of the kinematic model of a manipulator via a ZMP stability index The kinematic self motion of the redundant manipulator drives the system in such a way to keep or plan the ZHP at the desired position of the footprint. A sequential redundancy resolution algorithm exploiting the remaining kinematic redundancy is also proposed to enhance the performances of joint limit index and manipulability. In addition, the case exerted by external forces is taken into account. Through simulation for a 5 DOF redundant robot model, feasibility of the proposed algorithms is verified. Lastly, usual applications of the proposed kinematic model are discussed.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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v.4
no.1
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pp.17-29
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2006
A novel inverse kinematics solution based on the back propagation neural network (NN) for redundant manipulators is developed for online obstacles avoidance. A laser transducer at the end-effctor is used for online planning the trajectory. Since the inverse kinematics in the present problem has infinite number of joint angle vectors, a fuzzy reasoning system is designed to generate an approximate value for that vector. This vector is fed into the NN as a hint input vector rather than as a training vector to guide the output of the NN. Simulations are implemented on both three- and four-link redundant planar manipulators to show the effectiveness of the proposed position control system.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.8
no.11
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pp.963-969
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2002
Design method of a robust impedance control is proposed for the kinematically redundant manipulators. To achieve this objective, we first use the momentum feedback disturbance observer(MFDOB) scheme which can handle the nonlinear dynamics of a manipulator in Joint space. An extended task space formulation to describe the behaviors of task and null spaces of redundant manipulator is employed. Using the extended task space formulation and disturbance observer scheme, a robust impedance control method is designed. The performance of the proposed extended impedance controller is verified through experiments with a planar three links direct-drive manipulator.
This paper presents the modulation of the dexterity of a parallel manipulator using joint freezing/releasing and joint unactuation/actuation. In this paper, individual limbs have redundant number of joints, and each joint can be frozen/released and unactuated/actuated, as needed. First, given a task, the restrictions on joint freezing and joint unactuation of a parallel manipulator are derived. Next, with/without joint freezing and/or joint unactuation, the kinematics of a parallel manipulator is formulated, based on which the manipulability ellipsoid is defined. The effects of joint freezing and joint unactuation on the manipulability are analyzed and compared. Finally, simulation results for a planar parallel manipulator are given. Joint mechanisms, such as joint freezing and joint unactuation, are rather simple to adopt into a parallel manipulator, but is quite effective to improve the task adaptability of the system.
Proceedings of the Korean Operations and Management Science Society Conference
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1994.04a
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pp.561-568
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1994
A man model can be used as an effective tool to design ergonomically sound products and workplaces, and subsequently evaluate them properly. For a man model to be truly useful, it must be integrated with a posture prediction model which should be capable of representing the human arm reach posture in the context of equipments and workspaces. Since the human movement possesses redundant degrees of freedom, accurate representation or prediction of human movement was known to be a difficult problem. To solve this redundancy problem, a psychophysical cost function was suggested in this study which defines a cost value for each joint movement angle. The psychophysical cost function developed integrates the psychophysical discomfort of joints and the joint range availability concept which has been used for redundant arm manipulation in robotics to predict the arm reach posture. To properly predict an arm reach posture, an arm reach posture prediction model was then developed in which a posture configuration that provides the minimum total cost is chosen. The predictivity of the psychophysical cost function was compared with that of the biomechanical cost function which is based on the minimization of joint torque. Here, the human body is regarded as a two-dimensional multi-link system which consists of four links ; trunk, upper arm, lower arm and hand. Real reach postures were photographed from the subjects and were compared to the postures predicted by the model. Results showed that the postures predicted by the psychophysical cost function closely simulated human reach postures and the predictivity was more accurate than that by the biomechanical cost function.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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