Control visual-fuerza autocalibrado para seguimiento de trayectorias en tareas cooperativas robóticas

Resumen

En esta Tesis Doctoral se presentan diversas técnicas de control de robots manipuladores. El objetivo perseguido es plantear nuevos esquemas de seguimiento de trayectorias empleando información visual y de fuerza, que permitan al robot repetir trayectorias seguras, en entornos muy complejos para tareas de ensamblado y/o desensamblado. En los sistemas de guiado de robots por visión existentes en la literatura, no se permite realizar posicionamientos del extremo del robot siguiendo una trayectoria deseada. Además, con los sistemas clásicos de control visual basado en imagen sólo se puede asegurar la estabilidad asintótica de manera local. A lo largo de esta Tesis se propone un método de seguimiento de trayectorias en imagen que no sólo mejora el comportamiento de los sistemas de control visual clásicos, permitiendo repetir una trayectoria predefinida, sino que también presenta una característica novedosa: permite definir la velocidad de seguimiento. Este método de seguimiento presenta un comportamiento intemporal, aspecto éste indispensable para que el robot pueda atender cualquier evento no previsto debido a su interacción con el entorno. Los sistemas de control visual requieren una calibración previa de la cámara. Los estudios realizados sobre los errores cometidos en la estimación de estos parámetros permiten concluir que el entorno de estabilidad asintótica local se reduce cuando el error de estimación aumenta. Para resolver este problema, se presenta en esta Tesis un método de calibración on-line de la cámara basado en control visual virtual. Su aplicación al método de seguimiento permite obtener un sistema de control visual autocalibrado para tareas de repetición de trayectorias definidas en el espacio imagen. En el control de robots manipuladores comerciales no se suele realizar un control directo sobre sus articulaciones, debido principalmente al desconocimiento de los parámetros dinámicos. El diseño y construcción de un robot permitirá conocer estos parámetros de forma precisa y aplicar algoritmos más complejos de control visual, que proporcionarán un guiado mucho más rápido y preciso al eliminar el retardo que se produce en los sistemas indirectos de control. Partiendo del prototipo de un robot, se describen tres métodos novedosos que permiten repetir trayectorias definidas en la imagen con comportamiento intemporal y con distinto grado de control sobre la velocidad de la tarea. En ocasiones, el robot que está siguiendo una trayectoria en el espacio 3-D entra en contacto con algún objeto de su espacio de trabajo. Para permitir que el sistema de visión pueda seguir enviando referencias válidas, es indispensable tener información de las fuerzas y pares en el extremo del robot. Conociendo estas fuerzas y pares, se proponen dos métodos que permiten modificar la trayectoria en imagen que el robot estaba siguiendo, para hacerla compatible con las fuerzas ejercidas por el extremo del robot. Además, se propone un método capaz de fusionar la información visual y la de fuerza para detectar un cambio en la normal de la superficie de contacto. Con estas dos estrategias se tiene un esquema general que permita obtener una acción de control conjunta y coherente a partir de la información de los dos sensores. La validez de los esquemas de control propuestos queda confirmada con la realización de diversos experimentos prácticos. En estos experimentos se observa la necesidad de un sistema de posicionamiento preciso siguiendo trayectorias seguras. Además, tanto la interacción del robot en tareas de ensamblado, como la presencia de un operador humano muestran la necesidad de un sistema de seguimiento intemporal.