Controllers for compliant two-handed dexterous manipulation

Abstract

Geschickte Handhabung von sehr unterschiedlichen Objekten erfordert grundlegende Fähigkeiten von Robotersystemen. Im Wesentlichen sind es Flexibilität, Anpassungsfähigkeit und Feinfühligkeit. Roboter, ausgestattet mit zwei Armen und Zweibackengreifern an deren Handgelenken, wurden in der Vergangenheit häufig zur Durchführung verschiedener Manipulationsaufgaben eingesetzt. Erst seit kurzem wurden Robotersysteme mit geschickten Händen entwickelt, die eine stärkere Anpassungsfähigkeit mit sich bringen und eine breite Palette an Anwendungen versprechen. Man erwartet, dass die erhöhte Feinfühligkeit von geschickten Roboterhänden und deren - im Vergleich zu Armgelenken - geringe Gelenkreibung die Fähigkeiten des Gesamtsystems erhöht.<br />Die Mehrheit der Arbeiten zur Regelung von derartigen zweihändigen Systemen hat sich im Wesentlichen mit der unabhängigen Regelung von Armen und Händen beschäftigt. Die Koordination zwischen Finger- und Armbewegungen eines Roboters wurde bislang kaum untersucht.<br />Bei der Regelung von Roboterhänden in Objektkoordinaten kann festgestellt werden, dass sich einige Veröffentlichungen mit der Dynamik des Hand-Objekt-Systems beschäftigten, die praktischen Arbeiten allerdings im Wesentlichen Steifigkeitsregler verwenden und die dynamischen Effekte ignorieren.<br />Um das Forschungsfeld der geschickten, dynamischen Handhabung voranzubringen, werden in dieser Doktorarbeit Konzepte zur Modellierung und Regelung eines robotischen Oberkörpers, bestehend aus einem Rumpf, zwei Armen und zwei feinfühligen Händen, vorgestellt. Für einen derartigen zweihändigen Roboter werden die Bewegungsgleichungen hergeleitet und nachgiebige Greifregler vorgeschlagen. Diese Regler basieren auf den Bewegungsgleichungen des Gesamtsystems. Im Speziellen wird die Impedanzregelung in Objektkoordinaten untersucht und ein neuartiger Regler, der sogennante static intrinsically passive controller, vorgeschlagen. In der Literatur wurden derartige Regler kaum miteinander verglichen, wobei vor allem experimentelle Resultate bislang fehlten. In den Experimenten in dieser Arbeit kann man deutlich erkennen, dass die dynamischen Effekte für drehmomentengeregelte Roboterhände tatsächlich nicht vernachlässigbar sind. Der entwickelte Impedanzregler in Objektkoordinaten bildet die Grundlage für die Synthese eines Impedanzreglers für zweihändige nachgiebige Manipulation.<br />Dieser beinhaltet zugleich die Koordination zwischen den Fingern und dem Arm. Es ist das erste Mal, dass ein solcher Regler erfolgreich auf einem zweihändigen Robotersystem - dem DLR Roboter Justin - implementiert wurde.<br />In Anbetracht der Entwicklung einer neuen Roboterhand des DLR Hand-Arm-Systems wird in dieser Arbeit die Regelung von seilzuggetriebenen Systemen mit intrinsisch veränderbarer, nichtlinearer Steifigkeit untersucht.<br />Zur Regelung von Aktoren mit variabler Steifigkeit wurden kürzlich einige neue Ansätze vorgestellt. Jedoch gibt es nur wenige Forschungsgruppen, die sich mit dem Reglerentwurf für seilzuggetriebene Roboterhände beschäftigen. Hier leistet die vorliegende Arbeit einen Beitrag zur Entwicklung und Analyse eines Reglers basierend auf motorseitigen Messungen und einer Vorsteuerung. Der zugehörige Stabilitätsbeweis erweitert die grundlegenden Arbeiten von Tomei.<br />Diese Arbeit stellt eine umfangreiche Toolbox von High-level Impedanzverhalten für zweihändige Handhabung zur Verfügung. Die Regler bieten Schnittstellen von komplexitätsreduzierten, sogenannten Synergiekoordinaten bis hin zur zweihändigen Regelung auf Objektebene, bei der die Fingerspitzen der Hände das Objekt kontaktieren und in Kombination mit der Regelung der Arme und des Rumpfs das Objekt bewegt wird.<br />Mit diesen Konzepten können Bewegungen, interne Kräfte und das Verhalten des geschlossenen Regelkreises mittels des gewünschten Steifigkeits- und Dämpfungsverhalten eingeprägt werden.<br />Die Regler für die Systeme mit variabler Steifigkeit erlauben zusätzlich das Parametrieren der mechanischen Gelenksteifigkeit, die so eingestellt werden kann, dass weitere aufgabenspezifische Optimierungskriterien erfüllt werden können.<br />Diese Toolbox ist sehr hilfreich für die Entwicklung von Anwendungen für Service- und Weltraumroboter. Weiterhin können Roboter, die als Produktionsassistent konzipiert sind, ebenfalls davon profitieren. Die vorgestellten Regelungskonzepte stellen ein Rahmenwerk dar, das auch für die kommerziell verfügbare DLR-HIT Hand II, welche sich im EU Projekt ECHORD wiederfindet, die DLR Dexhand und für den DLR Krabbler anwendbar ist.<br />Der Regler basierend auf Synergiekoordinaten dient als Plattform zur Entwicklung komplexitätsreduzierter Konzepte innerhalb des EU FP7 Projektes THE - The Hand Embodied. Die Strategien zur Regelung zweier Arme können direkt auf die kommerziell verfügbaren KUKA Roboterarme angewandt werden. Die vorgestellten Impedanzregelungsverfahren können weiterhin als Bausteine zur Synthese von Ganzkörperregelungen verwendet werden.<br />

Dexterous manipulation of large classes of objects demands large capacities from robotic systems. Most important are versatility, adaptability, and sensitivity.<br />Robots comprised of two arms with two-jaw grippers as end-effectors have been used widely to solve various tasks. Recently, systems equipped with dexterous hands were developed, which exhibit a greater adaptability and promise a wider range of applications. The increased sensitivity of the dexterous hand together with its lower joint friction compared to arm joints is expected to enhance the overall functionality of the two-handed system.<br />Previous works on the control of two-handed systems consisting of two arms equipped with dexterous hands was mostly restricted to the independent control of the arm and the hand subsystems. The coordination between fingers and arms has been barely studied. When studying the work related to the object level control of robotic hands it can be seen that several publications deal with the dynamics of hand object systems, but the practitioners typically use pure stiffness controllers ignoring all the dynamic effects.<br />In order to further develop the field of dynamic dexterous manipulation in theory and practice, this thesis is concerned with concepts to model and control a robot consisting of an upper body with two arms equipped with dexterous hands. For such a two-handed robot, the equations of motion are derived and compliant grasping controllers for various tasks are proposed.<br />In particular, the object level impedance control was studied in more detail and a novel controller - the static intrinsically passive controller (IPC) - was proposed. In the literature, a systematic comparison of such controllers, in particular with experimental validation is missing. In the experiments of this thesis it could be shown that dynamic effects indeed are not negligible. The developed object level impedance controller is used in the synthesis of an impedance controller for two-handed compliant manipulation, which includes the finger arm coordination. This is the first time that such an impedance control law was successfully implemented on a two-handed robotic system - the DLR robot Justin.<br />In view of the development of the new DLR (integrated) Hand Arm System, the control of tendon driven systems with inherent mechanically varying, respectively nonlinear, stiffness was investigated. In the field of control of variable stiffness actuators many approaches have been proposed in the literature in the last decade. However, only a few research groups are working on the control design for tendon-driven robotic hands with variable stiffness. In this context, this thesis contributes to the derivation and analysis of a controller based on motor side measurements with feed forward terms. The stability proof of the closed loop system extends the seminal work of Tomei to the case of tendon controlled robots with variable joint stiffness. This thesis provides a large toolbox of high-level impedance behaviors for two-handed compliant manipulation. They range from reduced complexity (synergy) coordinates to the dexterous manipulation, which is the coordinated object level control using the fingertips of the hands combined with the control of the arms and the torso. These tools offer interfaces in generalized - mostly Cartesian - coordinates to specify the motion, the internal forces, and the closed loop behavior in terms of compliance and damping coefficients.<br />The controllers devoted to the variable stiffness system allow in addition the adjustment of the mechanical joint stiffness, which can be advantageously used to optimize additional performance criteria demanded by a given task.<br />This toolbox is highly relevant for the development of space robotics and service robotics applications. Furthermore, robots designed as production assistants can benefit from these developments. The presented controllers form a control framework applicable also to the commercially available DLR-HIT Hand II, which is supported by the EU Project ECHORD, the DLR Dexhand, and the DLR crawler. The synergy controller serves as a versatile testbed to study reduced complexity concepts within the EU FP7 project THE - The Hand Embodied. The concepts related to the two-arm controllers can be used on two KUKA robot arms. The proposed impedance behaviors are useful to synthesize whole-body controllers.