Kinematic Control Algorithms for Cooperative Dual-arm Systems via Redundancy Resolution

This thesis tackles the problem of kinematic control for cooperative dual-arm systems via redundancy resolution. First the redundancy analysis of two cooperative manipulators is presented, which shows how they can be considered as a single redundant manipulator, through the use of the relative Jacobian matrix. Then the Jacobian null space technique is considered: in this way the kinematic redundancy can be resolved by applying the principal local optimization techniques used for the single manipulator case; moreover several tasks with different execution priority levels can be performed at the same time (e.g. obstacle avoidance, manipulability index maximization or joint position constraints satisfaction). The kinematic resolution is then specifically addressed to both prevent and take into account possible faults. In detail, since violation of joint position constraints may damage a manipulator, a joint position limit avoidance strategy is proposed. This strategy is able to satisfy all joint limits even when the number of redundant motions are no longer sufficient to ensure them with a classical approach, by locally and temporary changing the desired end-effectors motion when redundant motions are not available. Finally, a fault tolerance algorithm is proposed, which use the degree of redundancy both to maximize the local optimum fault tolerance configuration, and to overcome the loss of the end effector velocity due to fault occurrence, by use of the saturation null space method. Several simulated and experimental examples are illustrated, which demonstrate the high flexibility of the proposed algorithms, which can implemented on different kind of cooperative manipulators.

Questa tesi affronta il problema del controllo cinematico di due manipolatori cooperanti, attraverso la risoluzione della ridondanza cinematica. In primo luogo, la tesi propone una descrizione dell’analisi della ridondanza dovuta alla cooperazione dei manipolatori, poichè essi possono essere considerati come un unico manipolatore ridondante, mediante il metodo dello Jacobiano relativo. Successivamente, viene studiata la tecnica di risoluzione della ridondanza basata sulla proiezione di diversi compiti nello spazio nullo dello Jacobian, in modo da eseguire contemporaneamente diversi compiti, aventi differenti livelli di priorità. Tali compiti possono migliorare la cooperazione dei due manipolatori, come ad esempio, evitare gli ostacoli posti in prossimità, massimizzare l’indice di manipolabilità o rispettare i vincoli di posizione presenti nei giunti. In particolare, la violazione di vincoli di posizione dei giunti è dettagliatamente studiata, poichè tale condizione può indurre a molteplici criticità, fra le quali il danneggiamento del sistema stesso. Pertanto, é proposta una strategia di controllo che permette di rispettare tutti i limiti dei giunti, anche qualora il numero di movimenti ridondanti non fosse più sufficiente a garantirli mediante un approccio classico. Tale tecnica degrada, parzialmente e temporaneamente, le prestazioni del movimento assegnato ai due terminali, al fine di rispettare tutti i vincoli di giunto, anche quando i moti ridondanti non sono disponibili. Infine, viene proposto un algoritmo di tolleranza del guasto, che impiega il grado di ridondanza del sistema sia per ottimizzare localmente una configurazione dei manipolatori robusta al guasto, che per limitarne i suoi effetti sulle loro prestazioni. Alcuni esempi di possibili applicazioni sono stati realizzati sia in simulazione che sperimentalmente. Essi dimostrano l’elevata flessibilità degli algoritmi proposti che possono essere adeguatamente implementati su diverse tipologie di manipolatori.