Adaptivno spajanje delova u tehnologiji robotizovane montaže primenom kinematski redundantnih robota

Abstract

Istraživanje u okviru ove doktorske disertacije fokusirano je na razvoj u oblasti tehnologije robotizovane montaže, sa ciljem da se antropomorfni manipulacioni robotski sistem učini adaptivnim i fleksibilnim u izvršavanju zadataka spajanja. Polazeći od paradigme masovne kastomizacije proizvoda, potiskuje se tradicionalni redukcionistički pristup, a traženje potencijalnog rešenja za izazov izgradnje ekstremno fleksibilnih tehnoloških sistema za montažu je usmereno na robotizaciju pripadajućih procesa. Poseban fokus je usmeren na proizvoljni netrivijalni slučaj procesa kvazi-statičkog spajanja, kao ekstremno zahtevan proces iz klase kontaktnih zadataka, a identifikacija svojstava manipulacionog sistema konzistentnih sa njegovom uspešnom realizacijom izvedena je na primeru pasivnog sistema popustljivog oslanjanja delova (RCC). Kroz ovakvu analizu dalje je proistekao osnovni zahtev za upravljanje kinetostatičkim ponašanjem, odnosno upravljanje svojstvima sopstvenog sistema matrice generalizovane krutosti manipulacionog robota, kao ključne tehnološke veličine za izvršavanje zadatka spajanja. Za pronalaženje potencijalnog rešenja postavljenih zahteva odabran je pristup primene kinematski redundantnih antropomorfnih manipulacionih robota, tako da se povećani kapacitet njihovog konfiguracionog prostora iskoristi za upravljanje svojstvima krutosti, a istraživanja u tom kontekstu su dalje usmerena ka matematičkom modeliranju baziranom na instrumentarijumu linearne algebre. Primenom metodološkog okvira linearnih preslikavanja formulisana je analitička particija ukupnog konfiguracionog prostora kinematski redundantne robotske ruke na podprostore slike i nule, što je dalje rezultovalo izgradnjom funkcionalno konzistentnog modela komplementarnih kretanja baziranog na pseudoinverziji Jakobijan matrice i komplementarnim projektorima. Ovakav pristup je u tehnološkom smislu povezan sa upravljanjem sopstvenim sistemom matrice generalizovane krutosti, što se ostvaruje kretanjem u konfiguracionom prostoru nule, uz očuvanje kinematske konzistentnosti primarnog zahteva kretanja vrha robota duž trajektorije spajanja, kao homogena i partikularna komponenta komplementarnog modela, respektivno. Dogradnja funkcionalno konzistentnog matematičkog modela, vođena fizičkom realnošću gde robotski sistem za montažu nikada ne funkcioniše samo u partikularnom kontekstu optimizacije krutosti, usmerena je ka formalno konsekventnom okviru opšte teorije stratifikovanih višenivojskih sistema. Imperativ primene ove metodologije identifikovan je kroz analizu hijerarhijske prirode i izražene strukturne složenosti tehnološkog zadatka spajanja. Primena kibernetskog koncepta hijerarhijske organizacije omogućila je definisanje tehnološkog zadatka kao stratifikovanog kompozita sa procesnim primitivima primarnog i sekundarnog hijerarhijskog nivoa. Ekstenzijom prethodnog, kroz primenu kibernetskog koncepta koordinacije izgrađen je formalno konsekventni okvir za simultano nekonfliktno izvršavanje skupa međusobno spregnutih procesnih primitiva, što se u matematičkom smislu implementira kao pristup višekriterijumske optimizacije sa ograničenjima tipa jednakosti i nejednakosti. Primenom funkcionalno konzistentnog instrumentarijuma komplementarnih projektora unutar formalno konsekventnog okvira kibernetske koordinacije sintetisani su varijantni algoritmi koordinacije za izvršavanje strukturno složenog tehnološkog zadatka spajanja primenom antropomorfnih kinematski redundantnih manipulacionih robota. Algoritmi koordinacije sadrže podalgoritamske strukture za rešavanje pitanja ograničenja, konfliktnosti i prioritizacije procesnih primitiva, zatim sprezanja hijerarhijskih nivoa. Problem računske kompleksnosti koja je inherentno sadržana kod analitički sintetisanih modela baziranih na instrumentarijumu linearne algebre je takođe analiziran, a potencijalna mogućnost za rešavanje ovog pitanja je načelno usmerena ka primeni metoda metaheuristike i mašinskog učenja. Ključni sadržaji i rezultati teorijskih istraživanja verifikovani su eksperimentalno, virtuelno i fizički. Verifikacija je izvedena na eksperimentalnoj platformi koja sadrži sledeće ključne komponente: 1)kinematski redundantan industrijski robot, Yaskawa SIA10F; 2)upravljački sistem FS100, nadograđen softverskom platformom za upravljanje otvorene arhitekture i nadzor, MotoPlus SDK, sa odgovarajućim API okruženjem; 3)visokoprecizni laserski mikrometar, Micro-Epsilon ODC2520-46, za merenje i identifikaciju fizički ostvarenih kinetostatičkih svojstava kinematski redundantne robotske ruke tokom izvođenja sintetisanih algoritama koordinacije. Eksperimentalno je potvrđena efektivnost sintetisanih algoritama koordinacije i njihova primenljivost u virtuelnom i realnom fizičkom okruženju, u laboratorijskim uslovima, uz identifikaciju i analizu ograničenja primenjenog pristupa baziranog samo na kinematskoj redundansi i identifikaciju nesavršenosti primenjenog fizičkog robotskog sistema, kao i ograničenja koja su u tom smislu nametnuta

The research within this doctoral dissertation is focused on the field of robotic assembly technology, with the goal of making the anthropomorphic manipulation robotic system adaptive and flexible in performing the corresponding part mating tasks. Building on the paradigm of mass customization, the traditional reductionistic approach becomes unsustainable, and the search for a potential solution to the challenge of highly flexible assembly technology is directed towards the robotization of assembly processes. Particular attention is given to the analysis of arbitrary non-trivial case of a quasi-static assembly process, as an extremely demanding contact-rich task. The identification of manipulation system properties consistent with its successful implementation is performed on the example of passive compliance support system (RCC). As a result of this analysis, the fundamental requirement for kinetostatic behaviour control of the manipulation robot has emerged, as the control of the generalized stiffness matrix eigensystem properties has been identified as a key technological parameters for performing the part mating task. To find a potential solution to the established control requirement, the approach of using kinematically redundant anthropomorphic manipulation robots was chosen in order to exploit the increased capacity of their configuration space for the purpose of the stiffness properties optimization. In this context, research focuses on mathematical modelling based on linear algebra apparatus. Using the methodological framework of linear mappings, the analytical partition of the total configuration space to the image and null subspaces of the kinematically redundant robotic arm was formulated. This led to the functionally consistent model of complementary motions related to the orthogonal subspaces and based on the pseudoinversion of Jacobian matrix and complementary projectors. This approach is related to the control of the generalized stiffness matrix eigensystem by the robot arm motion in the null space, while preserving the kinematic consistency of the part mating trajectory tracking control in the image space, as a homogeneous and particular components of the complementary model, respectively. The upgrade of the formulated mathematical model is directed to a formally consistent cybernetic framework of the hierarchical multilevel systems. The necessity of applying this methodology was identified by the analysis of the hierarchical nature and structural complexity of the part mating task, where a robotic assembly system in a physical reality never works only in the particular context of stiffness optimization. The application of the cybernetic concept of hierarchical organisation enabled the part mating task to be defined as a stratified system composed of process primitives at the primary and secondary hierarchical level. With the extension of the previous one, through the application of the cybernetic concept of coordination, a formally consistent framework for simultaneous non- conflict execution of a set of coupled process primitives was built. In mathematical sense this is implemented as a multicriteria optimization approach with equality and inequality constraints. The implementation of the mathematical model of complementary motions within the formally consistent framework of cybernetic coordination has led to the synthesis of variant coordination algorithms for the execution of part mating tasks. Coordination algorithms include sub-algorithmic structures to resolve constraints, conflicts and prioritization of process primitives, and couplings between hierarchical levels. The issue of inherent computational complexity in analytically synthesized models was addressed, and the potential solution is directed towards applying metaheuristic and machine learning methods. The key findings of the theoretical research were verified experimentally, virtually and physically. The verification was performed on an experimental platform consisting of: 1)kinematically redundant industrial robot arm Yaskawa SIA10F; 2)control system, FS100, upgraded with the software platform for open architecture control and monitoring, MotoPlus SDK, and appropriate API environment; 3)high-precision laser micrometre, Micro-Epsilon ODC2520, for identifying the performed physical kinetostatic behaviour and achieved properties of the robot arm during the execution of the synthesized algorithms. The effectiveness of the synthesized coordination algorithms and their applicability in a virtual and real physical environment, in laboratory conditions, have been experimentally confirmed. The experimental research included the identification and analysis of the limitations of the applied approach based only on kinematic redundancy and the identification of imperfections of the applied physical robotic system, as well as the limitations imposed in that sense