Null Space-Based Control and Simulation of Vehicle-Manipulator Systems

Abstract

Farkostmanipulatorsystem (VMS) er system som består av ein eller fleire manipulatorarmar festa til ein mobil base. Slike system kombinerar fordelane med ein manipulator med fleksibiliteten som kjem av at systemet kan bevege seg. Den auka fleksibiliteten kjem også med auka kompleksitet. Både systembasen og manipulatorarmen må styrast, og det er typisk ei tett dynamisk kopling mellom rørslene deira, særleg når basen er lett. Bruk av VMS under vatn fører med seg eigne utfordringar og eit eige sett av ting som er muleg. Med motivasjon i det dekkjer denne rapporten to hovudtema, nemleg prioritert oppgåvestyring og maskinvare-i-sløyfa-simulering (HILS) av VMS.

Prioritert oppgåvestyring gjer det mogleg for redundante robotsystem å utføre fleire oppgåver samtidig, til dømes det å plukke opp eit objekt medan ein unngår kollisjonar eller held ein ønska konfigurasjon. I denne avhandlinga blir to oppgåvestyringsmetoder utvikla. Begge metodane er formulerte på akselerasjonsnivå slik at dei kan handtere effektane av det dynamisk samspelet. Begge metodane nyttar og glideflateregulering for å vere robust mot eksterne forstyrringar og modellfeil.

HILS er ein simuleringsmetode der nokre komponentar av det fysiske systemet som skal simulerast er til stades i simuleringa. Denne avhandlinga foreslår ein HILS-metode som nyttar ein fastmontert manipulator til å simulere manipulatorenrørsla på ein VMS, medan den redundante VMS-rørsla blir simulert numerisk. Metoden nyttar også kontaktkrafta opplevd av den faste manipulatoren for meir realistisk interaksjonssimulering enn det som er mogleg numerisk. Avhandlinga består av tre artiklar, der dei to første fokuserar på prioritert oppgåvestyring, og den tredje på HILS.

Vehicle-manipulator systems (VMSs) are systems consisting of one or more manipulator arms attached to a mobile base. VMSs combine the benefits of a manipulator for interaction with the flexibility of a moving base. This increased flexibility also comes with increased complexity. Both the system base and manipulator arm must be controlled, and there is typically a tight dynamical coupling between their motions, especially when the base is relatively light. This report is motivated by the particular opportunities and challenges of underwater VMSs. The report covers two main topics, namely task-priority control and hardware-in-the-loop simulation (HILS) of VMSs.

Task-priority control allows redundant robotic systems to perform several tasks simultaneously, such as picking up an object while avoiding collisions or keeping a desired configuration. In this thesis, two task-priority control methods are developed. Both methods are formulated at the acceleration level such that they can handle the dynamical coupling effects. Both control approaches also utilize a sliding mode control law for robustness to external disturbances and modeling errors.

Furthermore, this thesis proposes a HILS scheme, which uses a fixed-base manipulator to emulate the motion of a VMS end-effector. This is achieved by simulating the redundant VMS motions numerically while using the physical contact forces of the fixed-base manipulator for realistic interaction behavior.