Position and Force Control of a Serial Arm Robot

Abstract

Controlling contact between the end-effector of a robot manipulator with its environment is a critical function for more advanced operations, whether working at intricate assembly tasks or in assisting and interacting with humans. That such controlled interactions will become increasingly important in robotics, drives extensive research in the field of simultaneous position and force control. The research conducted in this thesis aims to develop and implement such control schemes using a serial arm robot.

The kinematics and dynamics of a five degrees of freedom articulated manipulator, the CataLyst-5, were determined for use in designing various control systems to be applied both in simulation and experimentally. Three position controllers of various complexity were developed and compared, including a PD Independent Joint controller, a Joint Space Linearized controller and a Cartesian Space Linearized controller. The Cartesian space controller was used as a foundation to develop two position/force controllers, the first a Hybrid Position/Force controller and the second a Position Based Force controller.

The controllers were implemented to have the robot move along various shape trajectories on a horizontal plane, with the position controllers following the trajectories in free space and the force controllers maintaining contact with a chalkboard drawing surface and applying a specified force to draw the shape with chalk. All controllers were initially applied to a SimMechanics model of the serial arm robot to ensure stability and allow for initial gains tuning. Once proven stable, the controllers were implemented on the CataLyst-5 using Quanser's open-architecture control software.

During both simulation and experimentation, it was found that the highly complex Cartesian Space Linearized controller provided the most accurate trajectory following results, with a trade-off in lengthy simulation and compilation times. Despite successful simulation results, the Hybrid controller could not be configured to maintain contact with the drawing surface during experimentation, necessitating the creation of a Modified Hybrid controller. The Position Based Force controller provided the best experimental results, maintaining contact with the drawing surface throughout the trajectories.

La commande de contact entre l'effecteur d'un robot manipulateur et son environnement est une fonction essentielle pour des opérations avancées, que ce soit dans le travail des tâches d'assemblage complexes ou dans l'assistance et l'interaction avec les humains. Parce que les interactions contrôlées deviendront de plus en plus importantes dans le domaine de la robotique, des recherches approfondies sont conduites dans le domaine de commande simultanée de position et de force. La recherche conduite dans cette thèse vise à développer et mettre en œuvre des systèmes de commande d'un bras de robot sériel.

La cinématique et la dynamique d'un manipulateur CataLyst-5 articulé à cinq degrés de liberté ont été déterminées pour une utilisation dans la conception de divers systèmes de commande applicables à la fois en simulation et en expérimentation. Trois systèmes de commande de position de complexité variable ont été développés et comparés, y compris un contrôleur PD à joints indépendants, une commande linéarisée dans l'espace articulaire et une commande linéarisée de l'espace cartésien. Cette dernière a été utilisée comme une base pour développer deux compensateurs de position et force. Le premier est un contrôleur hybride de position/force et le deuxième est un contrôleur de force dépendant de la position.

Les systèmes de commande ont été mis en œuvre pour déplacer le robot suivant des trajectoires dans l'espace libre, puis selon différentes trajectoires sur un plan horizontal et pour maintenir le contact avec la surface d’un tableau de dessin et l'application d'une force spécifiée pour dessiner la forme avec la craie par le biais de la commande de force. Tous les compensateurs ont été d'abord appliqués à un modèle SimMechanics du robot sériel pour assurer la stabilité et ajuster les gains initiaux. Une fois assurer la stabilité, les systèmes de commande ont été mis en œuvre sur le robot CataLyst-5 en utilisant le logiciel de commande à architecture ouverte de Quanser.

Au cours des phases de simulation et d'expérimentation, il a été convenu que la ``très complexe’’ commande linéarisée dans l'espace cartésien fournit les résultats les plus précis en suivants les trajectoires, au coût de longues durées de simulation et compilation. Malgré les succès observés dans les résultats des simulations, la commande hybride ne peut pas être configurée pour maintenir le contact avec la surface de contact au cours de l'expérimentation, ce qui nécessite la modification de cette commande hybride. Le compensateur de force en fonction de la position a fourni de meilleurs résultats expérimentaux en maintenant le contact avec la surface de dessin tout au long des trajectoires.