Th`ese de Doctorat Amine ABOU MOUGHLBAY

284 Pages·2013·19.41 MB·English

ÉCOLECENTRALEDENANTES
ÉCOLEDOCTORALE
SCIENCESETTECHNOLOGIES
DEL’INFORMATIONETMATHÉMATIQUES
Année: 2013 No B.U.:
hese de octorat
T ` D
Spécialité: Informatique,Automatique,ÉlectroniqueetGe´nieÉlectrique
Présentéeetsoutenuepubliquementpar:
Amine ABOU MOUGHLBAY
le21mai2013
àl’ÉcoleCentraledeNantes
TITRE
Contributionsàl’enchaînementdestâchesetàlarésolutiondelaredondance
Applicationauxrobotshumanoïdesetmulti-bras
Jury
Président WisamaKHALIL Professeuràl’ÉcoleCentraledeNantes-France
Rapporteurs AngelP.DELPOBIL Professeuràl’UniversitédeJaumeI,Castellón-Espagne
NicolasANDREFF Professeuràl’UniversitédeFranche-Comté,Besançon-France
Examinateur PhilippeMARTINET Professeuràl’ÉcoleCentraledeNantes-France
Directeurdethèse: PhilippeMARTINET
Laboratoire: InstitutdeRechercheenCommunicationsetCybernétiquedeNantes(UMRCNRS6597)
No ED:503-188

ÉCOLECENTRALEDENANTES
ÉCOLEDOCTORALE
SCIENCESETTECHNOLOGIES
DEL’INFORMATIONETMATHÉMATIQUES
Année: 2013 No B.U.:
hese de octorat
T ` D
Spécialité: Informatique,Automatique,ÉlectroniqueetGe´nieÉlectrique
Présentéeetsoutenuepubliquementpar:
Amine ABOU MOUGHLBAY
le21mai2013
àl’ÉcoleCentraledeNantes
TITRE
Contributionsàl’enchaînementdestâchesetàlarésolutiondelaredondance
Applicationauxrobotshumanoïdesetmulti-bras
TITLE
Contributionsintasksequencingandredundancyresolution
Applicationtohumanoidandmulti-armrobots
Jury
Président WisamaKHALIL Professeuràl’ÉcoleCentraledeNantes-France
Rapporteurs AngelP.DELPOBIL Professeuràl’UniversitédeJaumeI,Castellón-Espagne
NicolasANDREFF Professeuràl’UniversitédeFranche-Comté,Besançon-France
Examinateur PhilippeMARTINET Professeuràl’ÉcoleCentraledeNantes-France
Directeurdethèse: PhilippeMARTINET
Laboratoire: InstitutdeRechercheenCommunicationsetCybernétiquedeNantes(UMRCNRS6597)
No ED:503-188

Abstract
Redundancy is either intrinsic and explicit in the robot’s mechanical architecture, and/or
implicit and appears only when applying specific tasks. The purpose of this thesis is to show
how redundancy can be considered as an exploitable advantage of the system, rather than a
problem to avoid, as it was classically perceived. In this aim the classification and identifica-
tion of redundancy is performed, then the kinematic resolution of the redundancy problem is
developed taking into account several simultaneous and prioritized tasks on a general redun-
dantsystem.
The comparison and discussion of the existing resolution methods’ efficiency in several
cases will lead to the development of a new technique for redundancy resolution, which over-
come the encountered problems and improve the system’s behavior and performance. The
feasibility and capability of the existing and developed techniques are tested by simulation on
variousrobotsindifferentconfigurationsandwithmultiplecasestudiesontheexecutedtasks.
Furthermore, a kinematic/dynamic multi-control points approach is developed to control
any robotic system, first by studying and monitoring the robot/environment interaction on sev-
eralpointsusingvarioustypesofsensors,andthenbydecomposingthedesiredroboticscenario
into several elementary prioritized tasks (defined in a generic form) which are finally pushed
intooneofthepresentedtasksequencingmethods.
The developed framework and the redundancy resolution formalisms are validated by the
applicationofseveralindustrial,serviceandassistivetasksonthreedifferentplatforms: amulti-
armsystemandtwohumanoidrobots(HRP-2andNao). Usingvarioustypesofembeddedand
externalvisionsensors,severaltechniqueswereintegratedintotheseroboticplatformstoapply
thedesiredscenariosinsimulationandreal-time.
First, the multi-arm platform, for meat cutting and muscles separation, is controlled to
applyseveralsimultaneoustasks(cutting,pulling,visibility)whilerespectingthesystem’scon-
straints such as collision and occlusion avoidance. Second, a localization of the Nao robot, in
an indoor environment, allows it to navigate and pick up an object from the floor. Third, a
robust tracking technique is used to control HRP-2 and Nao robots when performing grasping
ofseveralobjectsintheenvironment.
Keywords:
Redundantrobot,Redundancyresolution,Multi-armsystem,Sensor-basedcontrol,Multi-control
points,Manipulation,Localization,Nao,HRP-2.

Résumé
La redondance est présente dans toutes les plateformes robotiques, elle est soit intrin-
sèque et explicite dans l’architecture mécanique du robot, ou implicite et n’apparaît que lors
de l’exécution de certaines tâches. L’objectif de cette thèse est de considérer la redondance
comme un avantage à exploiter, plutôt qu’un problème à éviter, comme il a été classiquement
perçu. Cette thèse identifie, classifie les différents types de redondances et traite leur résolu-
tioncinématiquelorsdel’applicationdeplusieurstâchessimultanéessurunsystèmeredondant
avecuneprioritéspécifique.
La comparaison et discussion sur l’efficacité des méthodes existantes dans plusieurs con-
figurations nous amène à l’élaboration de nouvelles techniques généralisées pour la résolution
de la redondance. Elles permettent de surmonter les problèmes rencontrés et d’améliorer le
comportement et les performances du système. La faisabilité et l’efficacité de ces techniques
ont été évaluées par simulation sur plusieurs robots dans des différentes configurations et avec
plusieursdéfinitionsdetâches.
En outre, une approche multi-points de contrôle est développée, en cinématique et dy-
namique,pourcommandertoutsystèmerobotisé. Elleassurel’interactionentrelerobotetson
environnementenplusieurspointsàl’aidedediverstypesdecapteurs. L’applicationdésiréeest
alors décomposée en plusieurs tâches élémentaires et génériques qui sont finalement envoyées
versunenvironnementd’enchaînementdetâches.
L’approcheélaboréeetlesformalismesderésolutiondelaredondanceontétévalidéspar
l’application de plusieurs tâches de service et d’assistance sur un système multi-bras et deux
robots humanoïdes HRP-2 et Nao. En effet, en utilisant différents types de capteurs, notam-
mentdessystèmesdevisionembarquésetdéportés,plusieurstechniquesontétéimplémentées
surcesplateformesrobotiquespourappliquerlestâchesdésiréesensimulationetentempsréel.
La commande de la plateforme multi-bras pour la découpe et la séparation de muscles
de viande permet d’appliquer plusieurs tâches simultanées (coupe, traction, visibilité) tout en
respectant les contraintes du système comme l’évitement de la collision et de l’occlusion. En
plus, la localisation du robot Nao lui permet de naviguer dans un environnement d’intérieur
pour ramasser un objet du sol; une technique robuste de suivi et de saisie est utilisée pour
amenerlesrobotsHRP-2etNaoàsaisirplusieursobjets.
MotsClés:
Robot redondant, Résolution de la redondance, Système multi-bras, Commande référencée
capteurs,Multi-pointsdecontrôle,Manipulation,Localisation,Nao,HRP-2.

Contents
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
TableofContents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
ListofFigures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
ListofTables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi
Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xxiii
I Introduction 1
I.1 ExamplesofRobotArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
I.1.1 Multi-ArmSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
I.1.2 Dual-ArmManipulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
I.1.3 HumanoidRobots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
I.2 ExamplesofRobotApplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
I.2.1 ServiceRobots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
I.2.2 Robot’sManipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
I.3 MainControlApproaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
I.3.1 JointSpaceControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
I.3.2 OperationalSpaceControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
I.3.3 SensorSpaceControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
I.4 MotivationsandObjectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
I.4.1 MotivationsandProblems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
I.4.2 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
II Kinematic Redundancy Resolution 17
II.1 DefinitionandClassificationofRedundancies . . . . . . . . . . . . . . . . 19
II.1.1 GlobalRedundancyClassification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
II.1.2 AdvantagesofRedundantSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
II.2 RedundancyResolutionandTaskSequencing . . . . . . . . . . . . . . . 23
II.2.1 PartitionedControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
II.2.2 CommutativeControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
II.2.3 HybridControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
II.2.4 HierarchicalControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
II.3 SecondaryTasksProjectionMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
II.3.1 OrthogonalProjectionMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
II.3.2 BidirectionalNon-LinearProjectionMethod . . . . . . . . . . . . . 32
II.3.3 MinimumNormSolutionMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
x Contents
II.3.4 ComparisonBetweenProjectionOperators . . . . . . . . . . . . . . 39
II.4 TaskPriorityFormalisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
II.4.1 ClassicalTaskSequencingMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
II.4.2 EfficientTaskSequencingforOrthogonalProjection . . . . . . . . . 42
II.4.3 BidirectionalProjection: StackofTasks . . . . . . . . . . . . . . . 45
II.4.4 MinimumNormSolutionMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
II.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
III Comparison of Redundancy Resolution Methods 49
III.1 ComparisonMethodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
III.1.1 RobotPresentationandTaskDefinition . . . . . . . . . . . . . . . . 52
III.1.2 ChoiceofControlLaws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
III.2 ComparisonCriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
III.2.1 ControlPointsTrajectory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
III.2.2 RankoftheProjector/WeightingMatrix . . . . . . . . . . . . . . . 55
III.2.3 TimeandOrderofConvergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
III.2.4 PerformanceIndices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
III.2.5 OverallKineticEnergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
III.2.6 CaseofUnreachableandIncompatibleTasks . . . . . . . . . . . . . 57
III.3 SimulationonPlanarRobots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
III.3.1 KinematicallyIndeterminateSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
III.3.2 KinematicallyDeterminateSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
III.3.3 KinematicallyOver-specifiedSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
III.3.4 CaseofUnreachableSecondaryTask . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
III.3.5 CaseofIncompatibleTasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
III.3.6 ConclusiononSimulationResultsComparison . . . . . . . . . . . . 81
III.4 SimulationonLWRKukaRobot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
III.4.1 KinematicallyIndeterminateSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
III.4.2 KinematicallyOver-specifiedSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
III.5 NewUnifiedProjectorforOrthogonalandDirectionalMethods . . . . . 89
III.5.1 DiscussiononProjectionOperators . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
III.5.2 DefinitionoftheUnifiedProjectionOperator . . . . . . . . . . . . . 89
III.5.3 ChoiceoftheWeightingValue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
III.5.4 SimulationsonPlanarRobots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
III.5.5 ConclusionontheUnifiedProjector . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
III.6 GeneralizedProjectionOperator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
III.6.1 DefinitionoftheProjectionOperator . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
III.6.2 ChoiceoftheWeightingValue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
III.6.3 SimulationonPlanarRobots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
III.6.4 ConclusionontheGeneralizedProjector . . . . . . . . . . . . . . . 100
III.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
IV Kinematic and Dynamic Control of Multi-Arm Systems 103
IV.1 KinematicMultiControlPointsApproach . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
IV.1.1 ControlPointDefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
IV.1.2 ControlTechnique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106