Redundancy Resolution Schemes for Robotic Manipulator Systems in Constrained and Faulty Scenarios

In the last decades, the interest of the scientific community upon redundant robots has grown exponentially. The motivation beyond the introduction of the redundancy in a manipulator mechanical structure consists of increasing the dexterity of the robotic arm. Moreover, the employment of a redundant robot makes possible taking into account additional constraints along with the main task, namely mechanical joint limits avoidance, operational obstacle avoidance, singularity avoidance, optimization of specific performance criterions, etc. The sum of these constraints generates forbidden regions in the joint space that must be avoided during the task. The solution of the inverse kinematics problem is of fundamental importance as it permits to transform the desired motion, naturally specified in the operational space, into the corresponding joint motion. Thanks to the redundancy, there may be an infinite number of robot configurations that result in the same end-effector motion. In the literature, several redundancy resolution schemes have been proposed to deal with different problems. This thesis aims to study and develop algorithms to solve the inverse kinematics for redundant manipulators for different realistic applications. The first proposed scheme is designed for working with a dual-arm system, i.e. a system of a couple of cooperative manipulators. In particular, it addresses the problem of avoiding mechanical joint limits while the end-effectors are tracking a desired relative trajectory. The second redundancy resolution scheme discussed in this thesis deals with the problem of the generalization of the constraint functions. Indeed, the proposed algorithm permits the inclusion of constraints modeled as inequalities of general functions (also nonlinear) into the inverse kinematics problem. The third scheme addresses the problem of recovering motion loss due to actuator torque faults. The proposed redundancy resolution schemes are validated in several simulations of realistic scenarios.

Negli ultimi decenni, l'interesse della comunità scientifica riguardo i robot ridondanti è cresciuto esponenzialmente. Il motivo dietro l'introduzione della ridondanza nella struttura meccanica di un manipolatore consiste nell'aumentare la destrezza del braccio robotico. L'utilizzo di un robot ridondante permette di poter prendere in considerazione vincoli addizionali durante l'esecuzione del task principale, per esempio evitare i limiti meccanici dei giunti, evitare ostacoli nello spazio operazionale, evitare le singolarità, ottimizzare specifici criteri di performance, ecc. La somma di questi vincoli genera delle regioni proibite nello spazio dei giunti che devono essere evitate durante l'esecuzione del task. La soluzione del problema di cinematica inversa è di fondamentale importanza perché permette di trasformare il movimento desiderato, che è naturalmente specificato nello spazio operazionale, nel corrispondente movimento dei giunti. Grazie alla ridondanza, possono esistere un numero infinito di configurazioni del robot che risultano nello stesso movimento dell'end-effector. In letteratura, diversi schemi di risoluzione della ridondanza sono stati proposti per affrontare differenti problemi. Questa tesi mira a studiare e sviluppare algoritmi per risolvere la cinematica inversa per manipolatori ridondanti per differenti applicazioni realistiche. Il primo schema proposto è progettato per poter lavorare con un sistema a doppio braccio, cioè un sistema composto da due manipolatori cooperanti. In particolare, affronta il problema di evitare i limiti meccanici dei giunti mentre l'end-effector insegue la traiettoria relativa desiderata. Il secondo schema di risoluzione della ridondanza discusso in questa tesi affronta il problema della generalizzazione delle funzioni di vincolo. Infatti, l'algoritmo proposto permette l'inclusione di vincoli modellati come disuguaglianze di generiche funzioni (anche non lineari) all'interno del problema di cinematica inversa. Il terzo schema proposto affronta il problema del recupero del movimento che è stato perso a causa di guasti di coppia degli attuatori. Gli schemi di risoluzione della ridondanza proposti sono stati validati in diverse simulazioni di scenari realistici.