Dynamic Modeling, Impact Analysis and Motion Generation Algorithms of Bio-Inspired Robotic Manipulators for Impulsive Motion Based Applications

Abstract

생물 영감 시스템은 기존의 고전 로봇 조작기의 한계를 극복하였다. 하이브리드 운동학, 이중성, 운동학 및 작동 중복과 같은 고무적인 핵심 기능들을 통해 연구자는 지능형 구조 기반의 로봇 조작기를 설계 할 수 있으므로 다양한 응용 분야에 대한 안전성과 효율성을 보장한다. 위 연구에서는, 첫째, 폐쇄형 매니퓰레이터와 같은 인간의 경우에서의 외부 및 내부 충격의 명시적인 폐쇄 형 모델이 유도된다. 발달된 근육을 가진 운동 선수는 관절에서보다 적은 내부 자극을 경험하면서 더 많은 외부 자극을 생성 할 수 있고, 이를 바탕으로 내부 및 외부 자극의 근육 모델 기여도를 분석하기 위해 임펄스 측정 지수가 도입되었습니다. 특히 외부 자극과 내부 자극에 대한 단일 및 이중 관절 근육 증가의 기여와 효과가 분석된다. 시뮬레이션과 실험을 통해 제안 된 방법론을 검증을 위해 2-DOF 평면 인간 상지 모델이 고려되었다. 로봇 조작기가 끊임없이 뛰어난 정밀도로 작업할 수 있는 능력은 확실히 산업 생산을 위해 사람을 압도한다. 본 연구에서는 임펄스로 로봇 매니퓰레이터의 성능을 분석 하였다. 톱질이나 망치질과 같은 가공 작업은 공구와 물체 사이에 지속적으로 충격적인 움직임을 필요로 한다. 하이브리드 체인 및 이중성과 같은 바이오 시스템의 기능의 효과를 강조하기 위해 근골격계 이중 암에 대한 외부 및 내부 자극 분석 솔루션이 제안되었다. 또한, 선형 임펄스 모션 기반 가공 작업을 위한 일반화 된 동적 환경 모델이 제안되었다. 제안된 방법론은 해머링 작업에 대한 시뮬레이션과 실험 결과를 비교함으로써 검증되었다. 또한 선형 / 각 임펄스 모션 기반 가공 작업을 위한 선형 / 각 펄스의 해석 폐쇄 모델을 공식화하기 위한 일반적인 방법론이 제안되었다. 이러한 임펄스 모델은 연속 선형 및 각 운동을 결합하여 가공물을 제조하는 가공 작업을 분석하는 데 필요하다. 드릴링 / 밀링 작업 중에 형성되는 칩의 동력은 유효 질량 및 유효 관성모델 또한 고려되었다. 제안된 방법론을 검증하기 위해 6 자유도 드릴링 및 밀링 작업에 대한 선형 및 각도 외부 충격에 따른 로봇 암의 성능이 분석되었고, 이는 시뮬레이션과 실험 결과가 비교되어 동일하게 나타났다. 인체의 운동학적 여유자유도는 안전하고 효과적인 동작을 수행할 수 있는 능력을 향상시킨다. 따라서 본 연구에서는 임펄스 모션 기반 응용을 위한 평면 인체 모델의 모션 최적화 알고리즘을 제안한다. 내부 및 외부 충격 모델을 기반으로 그라디언트 투영법을 사용하여 자체 모션을 활용하여 모션을 최적화하는 다양한 최적화 기준이 고려되었다. 제안된 알고리즘의 결과를 주어진 작업에 대한 인체의 자연적 거동과 비교하기위한 시뮬레이션이 수행되었다. 마지막으로 임펄스 방법론은 효율적인 로봇 파지를 위한 물건을 산란시키는 방식에 적용되었다. 산란은 로봇이 대상 객체에 직접 액세스 할 수 없는 혼잡한 환경에서 방해되는 물건을 쳐낼 때 필요한 작업이다. 분석적 접근법은 충돌 후 물체의 움직임을 모델링하는 데 필요한 물리적 환경 변수 (마찰, 질량, 반발 계수)에 대한 충분한 정보를 필요로 하는데, 이 매개 변수는 레이블이 없는 비디오를 통해 계산된다. 마지막으로 제안된 방법론은 가상 세계에서의 훈련 (시뮬레이터)과 세계에서의 제어 된 산란 (실제 로봇)에 성공적으로 적용되었다. 전반적으로, 이 연구는 임팩트 기반 응용을 위한 운동 학적 잉여, 이중성 및 하이브리드기구 구조와 관련하여 생체 공학 로봇 매니퓰레이터의 기능을 중점적으로 다루었다. 또한, 개발된 방법론은 로봇이 환경과 상호 작용하는 다양한 어플리케이션에 성공적으로 적용되었다.; The bio-inspired systems have overcome the limitations of existing classical robotic manipulators. The inspirational key features such as hybrid kinematics, duality, kinematic and actuation redundancy of bio system allow researchers to design intelligent structure based robotics manipulators, which ensures the safety and effectiveness for different applications. In this research, firstly, for human like closed-chain manipulator, explicit closed-form model of external and internal impulses are derived. Athlete with developed muscles can generate more external impulse while experiencing less internal impulses at joints. Inspired by this, an impulse measure index is introduced to analyze the muscles model contribution in internal and external impulses. Especially, the contribution and effect of increment of mono and bi-articulate muscles on external and internal impulses is analyzed. A 2-DOF planar human upper extremity model is considered to validate the proposed methodology through simulations and experiments. The ability of robot manipulators to work tirelessly with great precision certainly dominate the human worker for industrial production. In this research, performance of robot manipulator is analyzed in terms of impulses. Machining tasks such as sawing and hammering requires a continuous impulsive motion between tool and object. To highlight the effectiveness of the bio system’s features such as hybrid chain and duality, an analytical solution of external and internal impulses for musculoskeletal dual arm is proposed. Furthermore, a generalized dynamic environment model for linear impulsive motion based machining task is proposed. The proposed methodology is validated by comparing simulations and experiment results for hammering task. Furthermore, a general methodology is developed to formulate the analytical closed form model of linear/angular impulses for linear/angular impulsive motion-based machining tasks. Such impulse model is required to analyze a machining task that combines continuous linear and angular motion to manufacture an object. The dynamics of the chips being formed during drilling/milling task is considered through the concept of effective mass and effective inertia model. To validate the proposed methodologies, the performances of 6-DOF robotics arm is analyzed in terms of linear and angular external impulse for drilling and milling task. The simulation and experiment results are compared and found identical. The kinematic redundancy of human body allows us to enhance the capabilities to perform safe and effective motions. Moreover, in this research, the motion optimization algorithm of planar human body model is proposed for impulsive motion based applications. Based on internal and external impulse model, different optimization criteria are considered to optimize the motion by exploiting the self-motion using the gradient projection method. Simulations are performed to compare the results of proposed algorithm with human body natural behavior for the given task. Lastly, the impulse methodology is applied in scattering application for efficient robot grasping. The scattering is required in a cluttered environment, where robot does not have direct access to the targeted object. The analytical approach requires the sufficient information of physical environmental parameters (friction, mass, coefficient of restitution) which are necessary to model the motion of object after impact. These parameters are calculated through unlabeled videos. Finally, the proposed methodology is successfully applied for training in the virtual world (simulator) and followed by controlled scattering in the world (real robot). Overall, this research highlights the features of bio-inspired robotic manipulators, specially in terms of the kinematic redundancies, duality and hybrid kinematic structure for impulses based applications. Furthermore, the developed methodologies have been successfully applied to various applications, where robot interacts with the environment.