Hybrid Force-Position Control of a 4-DOF SCARA Manipulator

Abstract

A wide range of robotic tasks ranging from metal grinding to minimally invasive surgery require fine control of both the position and the contact force of the robot’s end effector. Force-position control theory for robotic manipulators has been thoroughly researched and and simulated in recent years, with both fundamental and advanced approaches being applied to a broad array of problems with success. Surgical skin cutting has been identified as one area that has not yet seen much work, and a 4 Degrees of Freedom (DOF) Selective Compliance Articulated Robot Arm (SCARA) manipulator is identified as a robot configuration that could be used for this application. A hybrid force-position controller works by running a position feedback loop in parallel with a force feedback loop, with a supervisory controller prioritizing between them. In this thesis, a hybrid force-position controller for a 4-DOF SCARA manipulator was developed. The mathematical model for the kinematics and dynamics of a SCARA robot were determined and verified using MatLab’s Simulink and Simscape environments. A PID controller with feedback linearization was designed to control the position of the end effector, while a PI/Feedforward controller with velocity damping was designed to control the end effector's contact force with a simulated environment. Both controllers were combined in a hybrid force-position architecture and simulated with success.

Plusieurs tâches robotiques incluant la chirurgie minimalement invasive et le meulage du métal, ont besoin de la régulation précise de la position et la force de contact de l’organe terminal. La théorie du contrôle force-position pour les manipulateurs robotiques a fait l'objet de recherches et de simulations approfondies ces dernières années, avec des approches fondamentales et avancées appliquées à beaucoup de problèmes avec succès. La coupe chirurgicale de la peau a été identifiée comme un domaine qui n'a pas encore vu beaucoup de travail, et un manipulateur de bras robotique articulé à conformité sélective à 4 degrés de liberté est identifié comme une configuration de robot qui pourrait être utilisée pour cette application. La commande hybride force/position des robots manipulateurs fonctionne en exécutant une boucle de rétroaction pour la position en parallèle avec une boucle de rétroaction pour la force, avec un contrôleur de supervision qui commute entre les deux. Cette étude vise à développer un régulateur hybride de la force et position pour un manipulateur SCARA avec quatre degrés de libertés. Le modèle mathématique de la cinématique et de la dynamique d’un robot SCARA a été développé et vérifié à l’aide des environnements Simulink et Simscape de MatLab. Un régulateur PID avec la linéarisation de la rétroaction était conçu pour contrôler la position de l’effecteur d’extrémité, ainsi qu’un régulateur PI/anticipatif avec l'amortissement de la rapidité pour la force de contact a été aussi développé et vérifié. Les deux contrôleurs ont été combinés dans une architecture hybride force-position et simulés avec succès.