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Context Aware Body Regulation of Redundant Robots

Mohammadi, Pouya ORCID

In the past few decades the classical 6 degrees of freedom manipulators' dominance has been challenged by the rise of 7 degrees of freedom redundant robots. Similarly, with increased availability of humanoid robots in academic research, roboticists suddenly have access to highly dexterous platforms with multiple kinematic chains capable of undertaking multiple tasks simultaneously. The execution of lower-priority tasks, however, are often done in task/scenario specific fashion. Consequently, these systems are not scalable and slight changes in the application often implies re-engineering the entire control system and deployment which impedes the development process over time. This thesis introduces an alternative systematic method of addressing the secondary tasks and redundancy resolution called, context aware body regulation. Contexts consist of one or multiple tasks, however, unlike the conventional definitions, the tasks within a context are not rigidly defined and maintain some level of abstraction. For instance, following a particular trajectory constitutes a concrete task while performing a Cartesian motion with the end-effector represents an abstraction of the same task and is more appropriate for context formulation. Furthermore, contexts are often made up of multiple abstract tasks that collectively describe a reoccurring situation. Body regulation is an umbrella term for a collection of schemes for addressing the robots' redundancy when a particular context occurs. Context aware body regulation offers several advantages over traditional methods. Most notably among them are reusability, scalability and composability of contexts and body regulation schemes. These three fundamental concerns are realized theoretically by in-depth study and through mathematical analysis of contexts and regulation strategies; and are practically implemented by a component based software architecture that complements the theoretical aspects. The findings of the thesis are applicable to any redundant manipulator and humanoids, and allow them to be used in real world applications. Proposed methodology presents an alternative approach for the control of robots and offers a new perspective for future deployment of robotic solutions.

Im Verlauf der letzten Jahrzehnte wich der Einfluss klassischer Roboterarme mit 6 Freiheitsgraden zunehmend denen neuer und vielfältigerer Manipulatoren mit 7 Gelenken. Ebenso stehen der Forschung mit den neuartigen Humanoiden inzwischen auch hoch-redundante Roboterplattformen mit mehreren kinematischen Ketten zur Verfügung. Diese überaus flexiblen und komplexen Roboter-Kinematiken ermöglichen generell das gleichzeitige Verfolgen mehrerer priorisierter Bewegungsaufgaben. Die Steuerung der weniger wichtigen Aufgaben erfolgt jedoch oft in anwendungsspezifischer Art und Weise, welche die Skalierung der Regelung zu generellen Kontexten verhindert. Selbst kleine Änderungen in der Anwendung bewirken oft schon, dass große Teile der Robotersteuerung überarbeitet werden müssen, was wiederum den gesamten Entwicklungsprozess behindert. Diese Dissertation stellt eine alternative, systematische Methode vor um die Redundanz neuer komplexer Robotersysteme zu bewältigen und vielfältige, priorisierte Bewegungsaufgaben parallel zu steuern: Die so genannte kontextsensitive Körperregulierung. Darin bestehen Kontexte aus einer oder mehreren Bewegungsaufgaben. Anders als in konventionellen Anwendungen sind die Aufgaben nicht fest definiert und beinhalten eine gewisse Abstraktion. Beispielsweise stellt das Folgen einer bestimmten Trajektorie eine sehr konkrete Bewegungsaufgabe dar, während die Ausführung einer Kartesischen Bewegung mit dem Endeffektor eine Abstraktion darstellt, die für die Kontextformulierung besser geeignet ist. Kontexte setzen sich oft aus mehreren solcher abstrakten Aufgaben zusammen und beschreiben kollektiv eine sich wiederholende Situation. Durch die Verwendung der kontextsensitiven Körperregulierung ergeben sich vielfältige Vorteile gegenüber traditionellen Methoden: Wiederverwendbarkeit, Skalierbarkeit, sowie Komponierbarkeit von Konzepten. Diese drei fundamentalen Eigenschaften werden in der vorliegenden Arbeit theoretisch mittels gründlicher mathematischer Analyse aufgezeigt und praktisch mittels einer auf Komponenten basierenden Softwarearchitektur realisiert. Die Ergebnisse dieser Dissertation lassen sich auf beliebige redundante Manipulatoren oder humanoide Roboter anwenden und befähigen diese damit zur realen Anwendung außerhalb des Labors. Die hier vorgestellte Methode zur Regelung von Robotern stellt damit eine neue Perspektive für die zukünftige Entwicklung von robotischen Lösungen dar.

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Mohammadi, P., 2020. Context Aware Body Regulation of Redundant Robots. https://doi.org/10.24355/dbbs.084-202007271032-0
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