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https://hdl.handle.net/10216/133037| Author(s): | João Pedro Ribeiro Moreira |
| Title: | Automatic State Estimation of an Over-Sensored Robotic Manipulator |
| Issue Date: | 2021-02-12 |
| Abstract: | There is an increasing demand of robotic manipulators for performing more complex and versatile tasks. In order to fulfill this need, expeditious calibration and estimation techniques are required as a first step for the correct usage of the manipulator. Only after these problems are solved, can it be used for higher level tasks such as generic tool placement and object manipulation. There are currently several techniques for automatic calibration of a wide variety of sensors, as well as several filters to fuse their data into useful information. This dissertation aims at finding a subset of these algorithms that could be used in a generic manipulator and should allow for its prompt use. The techniques used were chosen with the purpose of being modular and therefore usable in a wide variety of manipulators. They also assume a minimal amount of requirements necessary for their use, making them suitable for an unequipped user. A previously developed manipulator is used to realistically test the performance of the implemented methods. It is equipped with incremental encoders, inertial measurement units and load cells. A calibration methodology for the inertial sensors is described and the calibrated measurements are used together with the encoders' to determine the pose of the manipulator. Two models for the representation of the pose of the manipulator are described and used in the state estimation problem. One defines the state vector as the dynamics of the angles of each joint. The other uses the orientation of each link in an inertial frame independently. The state of the first model is estimated with the Unscented Kalman Filter and the second one with the Multiplicative Extended Kalman Filter. The results of implementation are tested and some performance metrics are obtained using both the algorithms' output and an external system. |
| Description: | Há uma procura cada vez maior por manipuladores robóticos capazes de efetuar atividades complexas e versáteis. De modo a satisfazer essa necessidade, é essencial a implementação de técnicas de calibração e estimação expeditas como um primeiro passo para o correto uso do manipulador. Só após a resolução destes problemas é que se torna possível usar o manipulador para efetuar tarefas de mais alto nível, tais como posicionamento de uma ferramenta ou manipulação de objetos. Existem atualmente várias técnicas de calibração automática para uma larga gama de sensores, assim como vários filtros capazes da fusão das suas medidas. Esta dissertação tem como objetivo encontrar e implementar um conjunto destes algoritmos capazes de ser usados num manipulador genérico. As técnicas escolhidas são modulares, o que torna possível a sua utilização em diferentes configurações de manipuladores. Os requisitos para a sua utilização foram restringidos tanto quanto possível de modo a serem reutilizáveis por quem tem limitações a nível de equipamento. Um manipulador robótico previamente desenvolvido é usado como base para a implementação e teste dos diferentes métodos. Este está equipado com encoders incrementais, IMUs e células de carga. Um conjunto de métodos para a calibração dos sensores inerciais é descrito e as medidas calibradas são usadas em conjunto com as medidas dos encoders para determinar a pose do manipulador. São descritos dois modelos para a representação da pose do manipulador, os quais são usados no problema de estimação de estado. Um deles define o estado como a dinâmica dos ângulos de cada articulação. O outro usa a orientação de cada ligação do manipulador no espaço inercial. O estado do primeiro modelo é estimado usando o Unscented Kalman Filter e o segundo usando o Multiplicative Extended Kalman Filter. Os resultados da implementação são testados e métricas da performance dos métodos são obtidos usando o output dos algoritmos e um sistema de medição externo. |
| Subject: | Engenharia electrotécnica, electrónica e informática Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering |
| Scientific areas: | Ciências da engenharia e tecnologias::Engenharia electrotécnica, electrónica e informática Engineering and technology::Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering |
| DOI: | 10.34626/8pcj-2z10 |
| TID identifier: | 202821560 |
| URI: | https://hdl.handle.net/10216/133037 |
| Document Type: | Dissertação |
| Rights: | openAccess |
| Appears in Collections: | FEUP - Dissertação |
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| 448746.pdf | Automatic State Estimation of an Over-Sensored Robotic Manipulator | 2.41 MB | Adobe PDF |  View/Open |
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