Herguedas Gastón, Rafael
Sagüés Blázquiz, Carlos (dir.) ; López Nicolás, Gonzalo (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2023
Resumen: Los objetos deformables son un elemento fundamental en incontables procesos industriales y de otros ámbitos, como el doméstico o el sanitario. La automatización a través de plataformas robóticas de aquellas tareas en las que se manipulan estos objetos resulta interesante no
solo desde el punto de vista de la mejora de la precisión y la eficiencia de los procesos, sino también por los beneficios que trae consigo para los trabajadores humanos. Estos beneficios surgen, principalmente, en la realización de tareas repetitivas, que conllevan movimientos poco ergonómicos o en las que se manejan sustancias tóxicas o peligrosas. En este sentido, los robots podrían llevar a cabo estas tareas de forma parcial o total, permitiendo con ello a los operarios la realización de tareas más variadas y seguras.
Esta tesis doctoral tiene como objetivo el proponer, analizar y validar distintos sistemas multiagente para la percepción y el control de objetos deformables. Al considerar múltiples sensores y manipuladores, obtenemos un sistema más eficaz, robusto y versátil que el homólogo de un único elemento. Esto es especialmente cierto en el presente caso, donde el sistema es altamente subactuado debido a los infinitos grados de libertad del objeto manipulado.
En primer lugar, analizamos el estado del conocimiento en el ámbito de estudio. Tras identificar los principales trabajos de este campo, los clasificamos de acuerdo a una serie de criterios diferenciadores. A partir de esta clasificación, extraemos conclusiones en cuanto a los aspectos comunes, principales problemas abiertos y líneas de investigación más importantes.
El siguiente aspecto que tratamos es la percepción de objetos deformables con un sistema multicámara. Abordamos esta tarea como un problema de cobertura, en el cual el objetivo se establece en términos de completitud y precisión del contorno percibido. Para definir un
objetivo de cobertura factible, estudiamos las propiedades de visibilidad máximas de formas generales desde un enfoque geométrico. A continuación, proponemos dos métodos alternativos basados en optimización para resolver este problema, desde un punto de vista de información global y local. Estos métodos son evaluados y comparados mediante la simulación de distintos casos de aplicación.
Tras analizar la percepción, proseguimos con el cálculo de acciones útiles para manipular objetos deformables. Concretamente, abordamos el transporte de objetos deformables mediante sistemas multirobot. En este caso, proponemos un nuevo modelo de deformación basado en la caja envolvente deformable del objeto manipulado. El modelo, con dinámica de doble integrador y calculado a partir de un conjunto de medidas iniciales, relaciona la evolución temporal en las dimensiones y orientación de la caja envolvente con la acción colectiva de los manipuladores robóticos. Un conjunto de controladores nominales explota el modelo para llevar las dimensiones, orientación y posición del objeto al estado deseado. Dado que el control nominal no tiene en cuenta la corrección del rumbo ante obstáculos, aumentamos el mismo con una nueva función barrera de control que garantiza la evitación de colisiones. Validamos el controlador integrado con la función barrera en simulaciones con obstáculos estáticos y dinámicos.
El sistema anterior posibilita un control del objeto deformable limitado a su caja envolvente. Con el propósito de controlar la configuración del objeto de forma más precisa, presentamos un controlador de formaciones de robots alternativo para resolver el problema de transporte de objetos deformables. Mediante un conjunto de controladores para robots con dinámica de doble integrador, conseguimos controlar la forma, escala, posición y orientación de la formación de manipuladores que sostiene el objeto. En esta propuesta, y a diferencia de la anterior, no modelamos la deformación, sino que asumimos que el objeto es suficientemente flexible y que la formación de robots representa adecuadamente la forma del objeto. Para garantizar que el funcionamiento del controlador es el deseado, estudiamos en profundidad
sus propiedades en términos de desacoplamiento de las variables de la formación, estabilidad y convergencia al estado objetivo. Además, proponemos un conjunto de funciones barrera para evitar colisiones y sobreestiramientos en entornos con obstáculos estáticos y dinámicos.
Este nuevo controlador es aplicado satisfactoriamente en escenarios tanto simulados como reales.
En las propuestas anteriores, consideramos que los objetos son suficientemente resistentes como para poder ser agarrados utilizando métodos convencionales. En caso de que el objeto manipulado sea fino y frágil, éste podría resultar dañado al ser agarrado con una estrategia de este tipo. Por ello, proponemos un sistema de manipulación secuencial basado en acciones de empuje, sobre un plano en el que descansa el objeto. Mediante tales acciones, podemos controlar la posición y orientación del objeto, al mismo tiempo que contenemos su deformación dentro de un rango de seguridad. Utilizando regresión de procesos Gaussianos y optimización Bayesiana, podemos modelar las propiedades del objeto sujeto al empuje, actualizar el modelo resultante a lo largo del tiempo y calcular acciones efectivas en cada instante. Mostramos la eficacia de esta propuesta en diferentes escenarios de simulación.
En conclusión, las contribuciones principales de esta tesis son las siguientes: hemos desarrollado y validado nuevos métodos de percepción de objetos deformables con sistemas multicámara; hemos propuesto técnicas de modelado de deformación y control multirobot aplicadas a la tarea de transporte de objetos deformables; y hemos estudiado un método novedoso para manipular objetos deformables frágiles y finos, sobre superficies planas.
Resumen (otro idioma):
solo desde el punto de vista de la mejora de la precisión y la eficiencia de los procesos, sino también por los beneficios que trae consigo para los trabajadores humanos. Estos beneficios surgen, principalmente, en la realización de tareas repetitivas, que conllevan movimientos poco ergonómicos o en las que se manejan sustancias tóxicas o peligrosas. En este sentido, los robots podrían llevar a cabo estas tareas de forma parcial o total, permitiendo con ello a los operarios la realización de tareas más variadas y seguras.
Esta tesis doctoral tiene como objetivo el proponer, analizar y validar distintos sistemas multiagente para la percepción y el control de objetos deformables. Al considerar múltiples sensores y manipuladores, obtenemos un sistema más eficaz, robusto y versátil que el homólogo de un único elemento. Esto es especialmente cierto en el presente caso, donde el sistema es altamente subactuado debido a los infinitos grados de libertad del objeto manipulado.
En primer lugar, analizamos el estado del conocimiento en el ámbito de estudio. Tras identificar los principales trabajos de este campo, los clasificamos de acuerdo a una serie de criterios diferenciadores. A partir de esta clasificación, extraemos conclusiones en cuanto a los aspectos comunes, principales problemas abiertos y líneas de investigación más importantes.
El siguiente aspecto que tratamos es la percepción de objetos deformables con un sistema multicámara. Abordamos esta tarea como un problema de cobertura, en el cual el objetivo se establece en términos de completitud y precisión del contorno percibido. Para definir un
objetivo de cobertura factible, estudiamos las propiedades de visibilidad máximas de formas generales desde un enfoque geométrico. A continuación, proponemos dos métodos alternativos basados en optimización para resolver este problema, desde un punto de vista de información global y local. Estos métodos son evaluados y comparados mediante la simulación de distintos casos de aplicación.
Tras analizar la percepción, proseguimos con el cálculo de acciones útiles para manipular objetos deformables. Concretamente, abordamos el transporte de objetos deformables mediante sistemas multirobot. En este caso, proponemos un nuevo modelo de deformación basado en la caja envolvente deformable del objeto manipulado. El modelo, con dinámica de doble integrador y calculado a partir de un conjunto de medidas iniciales, relaciona la evolución temporal en las dimensiones y orientación de la caja envolvente con la acción colectiva de los manipuladores robóticos. Un conjunto de controladores nominales explota el modelo para llevar las dimensiones, orientación y posición del objeto al estado deseado. Dado que el control nominal no tiene en cuenta la corrección del rumbo ante obstáculos, aumentamos el mismo con una nueva función barrera de control que garantiza la evitación de colisiones. Validamos el controlador integrado con la función barrera en simulaciones con obstáculos estáticos y dinámicos.
El sistema anterior posibilita un control del objeto deformable limitado a su caja envolvente. Con el propósito de controlar la configuración del objeto de forma más precisa, presentamos un controlador de formaciones de robots alternativo para resolver el problema de transporte de objetos deformables. Mediante un conjunto de controladores para robots con dinámica de doble integrador, conseguimos controlar la forma, escala, posición y orientación de la formación de manipuladores que sostiene el objeto. En esta propuesta, y a diferencia de la anterior, no modelamos la deformación, sino que asumimos que el objeto es suficientemente flexible y que la formación de robots representa adecuadamente la forma del objeto. Para garantizar que el funcionamiento del controlador es el deseado, estudiamos en profundidad
sus propiedades en términos de desacoplamiento de las variables de la formación, estabilidad y convergencia al estado objetivo. Además, proponemos un conjunto de funciones barrera para evitar colisiones y sobreestiramientos en entornos con obstáculos estáticos y dinámicos.
Este nuevo controlador es aplicado satisfactoriamente en escenarios tanto simulados como reales.
En las propuestas anteriores, consideramos que los objetos son suficientemente resistentes como para poder ser agarrados utilizando métodos convencionales. En caso de que el objeto manipulado sea fino y frágil, éste podría resultar dañado al ser agarrado con una estrategia de este tipo. Por ello, proponemos un sistema de manipulación secuencial basado en acciones de empuje, sobre un plano en el que descansa el objeto. Mediante tales acciones, podemos controlar la posición y orientación del objeto, al mismo tiempo que contenemos su deformación dentro de un rango de seguridad. Utilizando regresión de procesos Gaussianos y optimización Bayesiana, podemos modelar las propiedades del objeto sujeto al empuje, actualizar el modelo resultante a lo largo del tiempo y calcular acciones efectivas en cada instante. Mostramos la eficacia de esta propuesta en diferentes escenarios de simulación.
En conclusión, las contribuciones principales de esta tesis son las siguientes: hemos desarrollado y validado nuevos métodos de percepción de objetos deformables con sistemas multicámara; hemos propuesto técnicas de modelado de deformación y control multirobot aplicadas a la tarea de transporte de objetos deformables; y hemos estudiado un método novedoso para manipular objetos deformables frágiles y finos, sobre superficies planas.
Resumen (otro idioma):
Pal. clave: robótica ; procesos de manipulación de sólidos ; ingeniería de control ; visión artificial
Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería de Sistemas e Informática
Plan(es): Plan 512
Área de conocimiento: Ingeniería y Arquitectura
Nota: Presentado: 18 12 2023
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2023
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Registro creado el 2024-05-22, última modificación el 2024-05-22
