Computed-torque control of the Kinova JACO² Arm

Abstract

Nos últimos anos, várias áreas ligadas à robótica têm evoluído, estando cada vez mais presentes na vida do ser humano. Uma dessas áreas, onde se têm notado mais progressos, é a área da robótica assistiva. Muitas pessoas portadoras de deficiências motoras beneficiam deste tipo de tecnologias, cuja utilidade aumenta consideravelmente a sua qualidade de vida. Existe, por exemplo, um braço robótico relativamente novo no mercado denominado de JACO² desenhado especificamente para pessoas possuidoras de deficiência motora ao nível dos membros superiores. Apesar do robô poder ser prontamente utilizado pelo utilizador convencional para execução de tarefas mundanas com o joystick de oferta, por vezes é desejado realizar movimentos específicos com elevada precisão, sendo, no entanto, necessário um conhecimento mais alargado de como o robô funciona internamente, e de como é estruturado fisicamente. Normalmente, isto é alcançado com o design de técnicas de controlo complexas que têm em consideração esses critérios. Arquiteturas de controlo avançadas, como o controlo de binário computarizado permitem o seguimento de trajetórias desejadas com um elevado grau de exatidão, necessitando, ainda assim, da integração de modelos robóticos. O trabalho apresentado nesta tese envolve a definição dos "alicerces" necessários à aplicação dessas metodologias no braço robótico supracitado. Inicialmente é feita uma análise geral ao JACO² verificando-se as suas capacidades e limitações. Posteriormente, os modelos geométrico e cinemático são calculados, seguidos da derivação do modelo dinâmico. A computação deste último é realizada através da análise da energia interna do robô, isto é, com base no método de Euler-Lagrange, sendo os parâmetros dinâmicos obtidos a partir de uma abordagem baseada em elos aumentados. A fiabilidade dos modelos estimados é posta à prova com esquemas de controlo já bem conhecidos tanto ao nível do espaço tarefa como no espaço das juntas, sendo os resultados obtidos analisados. Os resultados para o modelo geométrico são suficientemente conclusivos para se afirmar que a estimação é bem definida, enquanto que a dedução do modelo dinâmico resultou, na sua generalidade, em resultados aceitáveis e promissores. Ainda assim, é necessário um estudo mais aprofundado deste último modelo, por forma a melhorar a sua fiabilidade e para que técnicas de controlo mais avançadas possam ser desenvolvidas para este robô no futuro. Por fim, este documento também propõe uma forma alternativa de controlar o JACO², substituindo o joystick disponível, por um rato 3D. Aliado ao facto de ser fisicamente bastante leve e de se apresentar como um sistema portátil, este controlo alternativo representa um dos primeiros passos para um possível desenvolvimento de uma aplicação tele-ecográfica no futuro.

In the last years, numerous robotic areas have evolved, being increasingly present in the life of the human. One of the areas whose progresses have been noticeable is the area of assistive robotics. Many people who suffer from mobility impairments or disabilities benefit from these technologies, having their quality of life greatly improved. To name an example, a relatively novel robotic arm is present in the market called the JACO² specifically designed for people with upper-body impairments. Although the robot can be promptly used by the general user to perform mundane tasks with the associated joystick, sometimes it is desirable to perform more specific high precision movements, although that requires a deeper insight into how the robot works internally and how it is physically structured. This is normally achieved with the design of complex control techniques that take into account those criteria. Advanced control architectures such as computed torque control allow the tracking of desired trajectories with a high degree of accuracy, albeit needing the integration of robotic models.The work presented on this thesis revolves around establishing the groundwork for the application of those methodologies in the aforementioned robotic arm. Initially, a complete overview of the JACO² is done in order to infer its capabilities and limitations. Afterwards, the geometric and kinematic models are addressed followed by the dynamic model derivation. The computation of this last model is obtained via the analysis of the internal energy of the robot, via the Euler-Lagrange method, while the dynamic parameter identification is based on an augmented link approach. The reliability of the estimated models is then evaluated with already well established control schemes in both task space and joint space, with their results being analyzed. The results for the geometric model are conclusive enough to affirm that its estimation is well defined, whereas the derivation of the dynamic model, in general, provided acceptable and promising results. However, it is necessary a further in-depth research in order to improve the dynamic model estimation, so that more advanced control techniques can be implemented on this robotic arm. Lastly, this document also puts forward an alternative way of controlling the JACO², using a 3D mouse as a substitute to the available joystick. Coupled with a lightweight composition and a very portable system, this represents an introductory step into a possible development of a tele-echographic application in the future.