Robot arms are being increasingly used in various fields with special attention given to unmanned systems. In this research, we developed a high payload dual-arm robot, in which the forearm module is replaceable to meet the assigned task, such as object handling or lifting humans in a rescue operation. With each forearm module specialized for an assigned task (e.g. safety for rescue and redundant joints for object handling task), the robot can conduct various tasks more effectively than could be done previously. In this paper, the design of the high payload dual-arm robot with replaceable forearm function is described in detail. Two forearms are developed here. Each of forearm has quite a different goal. One of the forearms is specialized for human rescue in human familiar flat aspect and compliance parts. Other is for general heavy objects, more than 30 kg, handling with high degree of freedom more than 7.
The redundancy resolution of the seven DOF (Degree of Freedom) upper limb exoskeleton is key to the synchronous motion between a robot and a human user. According to the seven DOF human arm model, positioning and orientating the wrist can be completed by multiple arm configurations that results in the non-unique solution to the inverse kinematics. This paper presents analysis on the kinematic and dynamic aspect of the human arm movement and its effect on the redundancy resolution of the seven DOF human arm model. The redundancy of the arm is expressed mathematically by defining the swivel angle. The final form of swivel angle can be represented as a linear combination of two different swivel angles achieved by optimizing two cost functions based on kinematic and dynamic criteria. The kinematic criterion is to maximize the projection of the longest principal axis of the manipulability ellipsoid of the human arm on the vector connecting the wrist and the virtual target on the head region. The dynamic criterion is to minimize the mechanical work done in the joint space for each of two consecutive points along the task space trajectory. The contribution of each criterion on the redundancy was verified by the post processing of experimental data collected with a motion capture system. Results indicate that the bimodal redundancy resolution approach improved the accuracy of the predicted swivel angle. Statistical testing of the dynamic constraint contribution shows that under moderate speeds and no load, the dynamic component of the human arm is not dominant, and it is enough to resolve the redundancy without dynamic constraint for the realtime application.
The calibration of the robot system with a visual sensor consists of robot, hand-to-eye, and sensor calibration. This paper describe a new technique for computing 3D position and orientation of a 3D sensor system relative to the end effect of a robot manipulator in an eye-on-hand robot configuration. When the 3D coordinates of the feature points at each robot movement and the relative robot motion between two robot movements are known, a homogeneous equation of the form AX : XB is derived. To solve for X uniquely, it is necessary to make two robot arm movements and form a system of two equation of the form: A$_1$X : XB$_1$ and A$_2$X = XB$_2$. A closed-form solution to this system of equations is developed and the constraints for solution existence are described in detail. Test results through a series of simulation show that this technique is simple, efficient, and accurate fur hand/eye calibration.
Kim, Junghee;Cho, Sungho;Lee, Choongho;Han, Jaewoong;Hwang, Heon
Journal of Biosystems Engineering
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제38권2호
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pp.138-148
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2013
Purpose: Determining an appropriate path is a top priority in order for a robot to maneuver in a dynamically efficient way especially in a pick-and-place task. In a non-standardized work environment, current robot arm executes its motion based on the kinematic displacements of joint variables, though resulting motion is not dynamically optimal. In this research we suggest analyzing and applying motion patterns of the human arm as an alternative to perform near optimum motion trajectory for arbitrary pick-and-place tasks. Methods: Since the motion of a human arm is very complicated and diverse, it was simplified into two links: one from the shoulder to the elbow, and the other from the elbow to the hand. Motion patterns were then divided into horizontal and vertical components and further analyzed using kinematic and dynamic methods. The kinematic analysis was performed based on the D-H parameters and the dynamic analysis was carried out to calculate various parameters such as velocity, acceleration, torque, and energy using the Newton-Euler equation of motion and Lagrange's equation. In an attempt to assess the efficacy of the analyzed human motion pattern it was compared to the virtual motion pattern created by the joint interpolation method. Results: To demonstrate the efficacy of the human arm motion mechanical and dynamical analyses were performed, followed by the comparison with the virtual robot motion path that was created by the joint interpolation method. Consequently, the human arm was observed to be in motion while the elbow was bent. In return this contributed to the increase of the manipulability and decrease of gravity and torque being exerted on the elbow. In addition, the energy required for the motion decreased. Such phenomenon was more apparent under vertical motion than horizontal motion patterns, and in shorter paths than in longer ones. Thus, one can minimize the abrasion of joints by lowering the stress applied to the bones, muscles, and joints. From the perspectives of energy and durability, the robot arm will be able to utilize its motor most effectively by adopting the motion pattern of human arm. Conclusions: By applying the motion pattern of human arm to the robot arm motion, increase in efficiency and durability is expected, which will eventually produce robots capable of moving in an energy-efficient manner.
Violinists learn to make better sounds by hearing and evaluating their own playing though numerous practice. This study proposes a new method of auditory feedback, which mimics this violinists' step and verifies its efficiency using experiments. Making the desired sound quality of a violin is difficult without auditory feedback even though an expert violinist plays. An algorithm for controlling a robot arm of violin playing robot is determined based on correlations with bowing speed, bowing force, and sound point that determine the sound quality of a violin. The bowing speed is estimated by the control command of the robot arm, where the bowing force and the sound point are recognized by using a two-axis load cell and a photo interrupter, respectively. To improve the sound quality of a violin playing robot, the sounds information is obtained by auditory feedback system applied Short Time Fourier Transform (STFT) to the sounds from a violin. This study suggests Gaussian-Harmonic-Quality (GHQ) uses sounds' clarity, accuracy, and harmonic structure in order to decide sound quality, objectively. Through the experiments, the auditory feedback system improved the performance quality by the robot accordingly, changing the bowing speed, bowing force, and sound point and determining the quality of robot sounds by GHQ sound quality evaluation system.
A robot arm with free joints has some advantages over conventional ones. A light weight and low power consumed arm can be made by a reduction of the number of joint actuators. And this arm can easily overcomes actuator failure due to unexpected accident. In general such underactuated arm does not have controllability because of the lack of joint actuators. The two-link arm with a free joint introduced in this paper is also uncontrollable in the sense of linear system theory. However, the linearized system sometimes can not represent the inherent dynamic behavior of the nonlinear system. In this paper the dynamic characteristics of the two-link arm with a free joint in view of global motion including damping and friction effect of the joints is investigated. In the case of considering only the damping effect, the controllable goal positions are confined to a specific trajectories. But in the case of considering the friction effect, the system can be controlled to arbitrary positions using the friction of the free joint as a holding brake. Also numerical example of position control is presented.
산업용 로봇의 하중률은 1대 10에서 1대 30이고, 3대 1의 하중률을 가지는 인간과 비교하여 매우 낮다. 다음 세대 로봇의 목표 중에 하나는 하중률이 될 것이고, 이것은 가벼운 로봇을 개발함으로 가능할 것이다. 2관절 유연한 로봇팔은 관절 축을 회전할 때 진동이 발생한다. 본 논문에서는 유연한 로봇팔의 진동 동력학은 오일러 베르누이의 보 이론과 라그랑지 방정식을 이용하여 구하였고, $\dot{D}-2C$가 skew symmetric이다는 사실을 사용하여, 계산량을 줄이는 리아프노프 안정도 이론을 이용한 단순한 구조의 새로운 제어기를 제안한다. 2링크 유연한 로봇에 대한 확정적인 적응제어 법칙을 제안하고, 시뮬레이션을 통하여 그 타당성을 보인다.
For the conveyor tracking application of a robot manipulator, a new control scheme is presented. The presented scheme is divided into two stages : the upper one is the motion planning stage and the lower one is the motion control stage. In the upper stage, the nominal trajectory which tracks the part moving in a constant velocity, is planned considering the robot arm dynamics. On the other hand, in the lower level, the perturbed trajectory is generated to track the variation in the velocity of conveyor belt via sensory feedback and the perturbed arm dynamics. In both stages, the conveyor tracking problem is formulated as an optimal tracking problem, and the torque constraints of a robot manipulator are taken into account. Simulation results are then presented and discussed.
In this paper, a soft robotic arm which can prevent impact injury during human-robot interaction is introduced. Two degrees of freedom joint are required to realize free movement of the robotic arm. A robotic joint concept with a single degree of freedom is presented using simple inflatable elements, and then extended to form a robotic joint with two degrees of freedom joint using similar manufacturing methods. The robotic joint with a single degree of freedom has a joint angle of $0^{\circ}$ bending angle when both chamber are inflated at equal pressures and maximum bending angles of $28.4^{\circ}$ and $27.1^{\circ}$ when a single chamber if inflated. The robotic joint with two degrees of freedom also has a bending angle of $0^{\circ}$ in both direction when all three chambers are inflated at equal pressures. When either one or two chambers were pressurized, the robotic joint performed bending towards the uninflated chambers.
2관절 유연한 로봇 팔는 관절 축을 회전할 때 진동이 발생한다. 본 논문에서는 유연한 로봇팔의 진동 동력학은 bernoulli-Euler의 beam이론과 라그란지 방정식을 이용하여 구하였고, $\dot{D}$-2C가 skew symmetric이다는 사실을 사용하여 계산량을 줄이는 단순한 구조의 새로운 제어기를 제안한다. Lyapunov 안정도 이론은 관절을 조절하기 위한 안정한 확정적인 비선형 제어기를 성취하기 위하여 적용된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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