Coordinazione e inversione cinematica per manipolatori ridondanti in un sistema multirobot

In this thesis, developed in ITIA-CNR laboratories, an approach for real-time coordination of two anthropomorphic manipulators KUKA LWR4 + is discussed. These manipulators are also asked to interact with a dynamic environment and to optimize the assumed configuration, depending on the required task. This will make necessary the definition of a framework ( inspired by the Task Space Formalism ) to describe the system and to deal with the various possible inputs and executable tasks. Thanks to this framework it will be possible to implement algorithms for manipulators coordination both in Matlab simulation environments, both in a C++ code used to develop a robot control application. The above framework takes place in the Task Space, so it needs to be transformed via the inverse kinematics into corresponding joint trajectories, which then constitute the reference inputs to the robot joint space control scheme. Different kinematic inversion algorithms are thus analyzed. They have to guarantee the best performance in this context, characterized by possible joint saturations. They also have to exploit the manipulators redundancy in order to optimize the posture as a function of the task to perform. The CLIK and the Saturation in the Null Space algorithms will be discussed, adding the possibility to perform secondary tasks such as obstacle avoidance, joints limits avoidance, or the maximization of a controllability index which is maximum if the mutual configuration of the robots is the best to perform contact between robots ( max compliance ). Each inverse kinematics algorithm will be implemented in the Matlab environment and in the C + + program acting on the real system.

Nella presente tesi, sviluppata presso l’Istituto di Tecnologie Industriali e Automazione del Consiglio Nazionale delle Ricerche ( ITIA-CNR ), viene descritto un approccio per la coordinazione in real-time di due manipolatori antropomorfi KUKA LWR4+ in interazione con un ambiente dinamico e cercando di ottimizzarne la configurazione assunta in funzione dei task da eseguire. Questo renderà necessario definire un framework nel Task Space con cui descrivere il sistema e legarlo ai vari input possibili e operazioni eseguibili. Grazie a tale formalizzazione sarà possibile realizzare algoritmi di coordinazione dei manipolatori sia in ambienti di simulazione Matlab, sia in ambienti embedded per il controllo real-time in remoto dei robot. Si renderà inoltre necessaria un'operazione di inversione cinematica per il passaggio dal Task Space in cui si colloca il suddetto formalismo allo spazio dei giunti in cui viene controllato il robot. Si analizzeranno quindi diversi algoritmi di inversione cinematica che siano in grado di garantire le migliori prestazioni in un contesto come quello considerato, caratterizzato da possibili saturazioni in velocità e in escursione ai giunti, e che sfruttino la ridondanza dei manipolatori per ottimizzarne la postura relativa in funzione dei task da eseguire. Tra i metodi analizzati si considererà particolarmente l'algoritmo di Saturazione nel Null Space, aggiungendo la possibilità di compiere task secondari come l'obstacle avoidance, o la massimizzazione di un indice di controllabilità in forza che indichi la bontà del posizionamento reciproco dei manipolatori per operazioni che li vedono interagire a contatto. Ogni algoritmo di inversione cinematica sarà quindi implementato sia in ambiente Matlab che sul programma scritto in C++ agente sul sistema reale. I risultati delle simulazioni e delle applicazioni sui robot reali mostreranno l’efficacia degli algoritmi di coordinazione e di inversione cinematica sviluppati.