There are several types of singularities in controlling robotic manipulators: kinematic singularity, algorithmic singularity, semi-kinematic singularity, semi-algorithmic singularity, and representation singularity. The kinematic and algorithmic singularities have been investigated intensively because they are not predictable or difficult to avoid. The problem with these singularities is an unnecessary performance reduction in non-singular region and the difficulty in performance tuning. Tn this paper, we propose a method of avoiding kinematic and algorithmic singularities by applying a task reconstruction approach while maximizing the task performance by calculating singularity measures. The proposed method is implemented by removing the component approaching the singularity calculated by using singularity measure in real time. The outstanding feature of the proposed task reconstruction method (TR-method) is that it is based on a local task reconstruction as opposed to the local joint reconstruction of many other approaches. And, this method has dynamic task priority assignment feature which ensures the system stability under singular regions owing to the change of task priority. The TR-method enables us to increase the task controller gain to improve the task performance whereas this increase can destabilize the system for the conventional algorithms in real experiments. In addition, the physical meaning of tuning parameters is very straightforward. Hence, we can maximize task performance even near the singular region while simultaneously obtaining the singularity-free motion. The advantage of the proposed method is experimentally tested by using the 7-dof spatial manipulator, and the result shows that the new method improves the performance several times over the existing algorithms.
Kim, Jin-Hyun;Marani, Giacomo;Chung, Wan-Kyun;Yuh, Jun-Ku
제어로봇시스템학회:학술대회논문집
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제어로봇시스템학회 2003년도 ICCAS
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pp.1587-1592
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2003
There are three kinds of singularity in controlling redundant manipulators. Kinematic, algorithmic and representation singularities are those. If manipulators fall into any singularity without proper action to avoid it, the control system must go away from our desire, and we can meet a dangerous situation. Hence, we have to deal the singularities very carefully. In this paper, we describe an on-line solution for avoiding the occurrence of both algorithmic and kinematic singularities in task-priority based kinematic controllers of robotic manipulators. Representation singularity can be easily avoided by using proper representation algorithm, so, in this paper, we only consider kinematic and algorithmic singularities. The proposed approach uses a desired task reconstruction and a successive task projection in order to maintain the measure for singularity over a user defined minimum value. It shows a gain in performance and a better task error especially when working in proximity of singular configurations. It is particularly suitable for autonomous systems where an off-line trajectory control scheme is often not applicable. The advantage and performance of the proposed controller is verified by simulation works. And, the experiment with real manipulator is remaining for the future works.
In this study, singularity of two types of mobile robots for various input joints are investigated: One is the mobile robot with three caster wheels and the other is the mobile robot with two conventional wheels and one caster wheel. Kinematic models are derived via the transfer method of generalized coordinates. Then, determinants of the Jacobian of the mobile robots are used to identify the singularity configurations.
An excitation table is commonly used for vibration and ride tests for parts or assemblies of automobiles, aircrafts, or other heavy systems. The authors have analyzed several kinematic properties of an excitation table that is under development for heavy transport vehicles. It consists of one table and 7 linear hydraulic actuators. The authors have performed mobility analysis, inverse kinematics, forward kinematics, and singularity analysis. Especially, we have proposed a fast forward kinematic solution considering the limited motion of the excitation table. On the assumption that the motion variables such as rotation angles and displacements are small, the forward kinematic problem is converted to the observer problem of a linear system. This provides a fast solution. Also we have verified that there are no singularity points in the working range by numerical analysis.
It is well-known that when singularities are located within the workspace of the parallel mechanism (PM), the usefulness of its workspace is significantly deteriorated. To handle this problem, we suggest an optimal design method which leads to more useful and larger workspace of the PM by taking its singularity locations into consideration in design process. Kinematic models of three selected planar PMs, a 5R type PM, a 3-RPR type planar PM, and a 3-RRR type planar PM, are derived via screw theory and their singularity analyses are conducted. Then workspace optimal designs for those three PMs are conducted to verify that the suggested design method leads more useful and larger workspace in which deterioration by singularity is minimal.
This paper proposes a unified framework that overcomes four motion constraints including joint limit, kinematic singularity, algorithmic singularity and obstacles. The proposed framework is based on our previous works which can insert or remove tasks continuously using activation parameters and be applied to avoid joint limit and singularity. Additionally, we develop a method for avoiding obstacles and combine it into the framework to consider four motion constraints simultaneously. The performance of the proposed framework was demonstrated by simulation tests with considering four motion constraints. Results of the simulations verified the framework's effectiveness near joint limit, kinematic singularity, algorithmic singularity and obstacles. We also analyzed sensitivity of our algorithm near singularity when using closed loop inverse kinematics depending on magnitude of gain matrix.
Kim, Wheekuk;Kim, Do-Hyung;Yi, Byung-Ju;Yang, Sung-Il;You, Bum-Jae
Transactions on Control, Automation and Systems Engineering
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제3권4호
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pp.210-216
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2001
In this paper, design of a 3-degree-of-freedom mobile robot with three caster wheels is performed. Initially, kinematic modeling and singularity analysis of the mobile robot is performed. It is found that the singularity can be avoided when the robot has more than two wheels on which two active joints are located. Optimal kinematic parameters of mobile robots with three active joint variables and with four active joint variables are obtained and compared with respect to kinematic isotropic index of the Jacobian matrix of the mobile robot which is functions of the wheel radius and the length of steering link.
Transactions on Control, Automation and Systems Engineering
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제3권4호
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pp.217-222
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2001
We propose a new two-degree of freedom parallel mechanism for a haptic device and will refer to the mechanism as the SenSation. The SenSation is designed in order to improve the kinematic performanced and to achieve static balance. We use the panto graph mechanisms in order to change the location of active joints, which leads to transform a direct kinematic singularity into a nonsingularity. The direct kinematic singular configurations of the SenSation occur near the workspace boundary. Using the property that position vector of rigid body rotating about a fixed point is normal to the velocity vector, Jacobian matrix is derived. Using the vector method, two different types of singularities of the SenSation can be identified and we discuss the physical significance of each of the three types of singularities. We will compare the kinematic performances(force manipulability ellipsoid, kinematic isotropy) of the SenSation with those of five-var parallel mechanism. By specifying that the potential energy be fixed, the conditions for the static balancing of the SenSation is derived. The static balancing is accomplished by changing the center of mass of the links.
The paper presents how to update impedance control parameters for dual-arm manipulators using EMG signals and motions of the operator. Since the hand motions of the dual-arm are modeled to be the mass-spring-damper system in this paper, the impedance parameter update method is an important issue to reflect the operator's force. However, task space inertia to be used as the mass parameter goes to infinity if the manipulator approaches a kinematic singularity. To alleviate this issue, the impedance (stiffness and damping) parameters are divided with a diagonal element of the task space inertia. Also, the stiffness and damping matrices are updated using the normalized EMG signals captured from the operator's forearm. Through this process, the motion of the dual-arm manipulator is more stabilized even though it approaches the kinematic singularity.
$\textbullet$ Proper definition of manipulability ellipsoid $\textbullet$ Volume and directional measures of manipulability $\textbullet$ Kinematic modeling as a serial connection $\textbullet$ Configuration dependent singularity $\textbullet$ Effect of nonholonomy on manipulability $\textbullet$ Effect of end-effector positioning on manipulability $\textbullet$ Effect of serial cooperation on manipulability
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[게시일 2004년 10월 1일]
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