Diseño de algoritmos de control visual basado en imagen y basado en posición para sistemas robotizados y validación mediante simulación y experimentación real

Abstract

[EN] In the present Master Thesis, the study and implementation of velocity and acceleration cinematic control for robots, as well as of two classical Visual Servoing methodologies: Image Based Visual Servoing (IBVS) and Position Based Visual Servoing (PBVS), has been carried out. The cinematic control and Visual Servoing algorithms have been implemented through simulation, developing to this end a controlsimulation application forrobotic arms with a maximum of ten rotary joints. On the other hand, Visual Servoing methodologies have also been validated by real experimentation using a KUKA industrial robot. In order to achieve this, first of all, a theoretical study encompassing the different control methodologies of interests for this project has been carried out, which has been reflected in the theoretical development chapter of the descriptive report. In that chapter, mathematical and conceptual foundations of velocity and acceleration cinematic control for robots are presented, which is then followed by the explanation of Visual Servoing, first exposing its general basis and then its particularization in IBVS and PBVS methodologies. With the acquisition of that theoretical knowledge, it has been possible to develop a simulation application in Matlab which allows to perform control cases with a high degree of customization. Thanks to that, many simulation tests have been done in order to study the performance of the different control algorithms which have been studied, showing a special interest in Visual Servoing. All this is explained in the simulator chapter. Finally, as it is explained in the experimental validation chapter, IBVS and PBVS algorithms for positioning tasks and IBVS algorithm fortracking tasks have been tested using a KUKA industrialrobotic arm, what has allowed getting acquainted with the particularities of real implementation.

[CA] Al present Treball Final de Màster, s’ha realitzat l’estudi i la implementació d’algoritmes de control cinemàtic de velocitat i d’acceleració de robots, així com de servo control visual en les seues dues metodologies clàssiques: Image Based Visual Servoing (IBVS) i Position Based Visual Servoing (PBVS). Els algoritmes de control cinemàtic i de Visual Servoing s’hi han implementat mitjançant simulació per a una gran varietat de casos, desenvolupant per això una aplicació de simulació de control per a braços robòtics de fins a deu articulacions rotatives. D’altra banda, les metodologies de control visual també s’han validat mitjançant experimentació real en un robot industrial KUKA. Per això, en primer lloc, s’ha realitzat un estudi teòric que engloba les diferents metodologies de control d’interès per al present treball, estudi plasmat al capítol de desenvolupament teòric de la memòria descriptiva. En aquest capítol es presenten els fonaments matemàtics i conceptuals del control cinemàtic de velocitat i acceleració de robots, i es continua després amb l’explicació del Visual Servoing, exposant primer les seues bases generalsi després la seua concreció a les metodologies IBVS i PBVS. Amb l’adquisició d’aquests coneixements teòrics, ha sigut possible desenvolupar una aplicació de simulació en Matlab que permet un alt grau de personalització dels casos de control. Amb això, s’han realitzat múltiples proves de simulació per tal d’estudiar l’actuació dels diferents algoritmes de control estudiats, amb especial interès en el Visual Servoing. Tot açò s’explica al capítol del simulador. Per últim, com s’explica al capítol de validació experimental, s’han provat els algoritmes d’IBVS i PBVS per a tasques de posicionat i d’IBVS per a tracking amb un braç robòtic industrial KUKA, la qual cosa ha permès familiaritzar­se amb les particularitats de la implementació real.

[ES] En el presente Trabajo Fin de Máster, se ha realizado el estudio y la implementación de algoritmos de control cinemático de velocidad y de aceleración de robots, así como de servo control visual en sus dos metodologías clásicas: Image Based Visual Servoing (IBVS) y Position Based Visual Servoing (PBVS). Los algoritmos de control cinemático y de Visual Servoing se han implementado mediante simulación para una gran variedad de casos, desarrollando para ello una aplicación de simulación de control para brazos robóticos de hasta diez articulaciones rotativas. Por otro lado, las metodologías de control visual también se han validado mediante experimentación real en un robot industrial KUKA. Para ello, en primer lugar, se ha realizado un estudio teórico que engloba las diferentes metodologías de control de interés para el presente trabajo, estudio plasmado en el capítulo de desarrollo teórico de la memoria descriptiva. En dicho capítulo se presentan los fundamentos matemáticos y conceptuales del control cinemático de velocidad y aceleración de robots, y se continúa después con la explicación del Visual Servoing, exponiendo primero sus bases generales y después su concreción en las metodologías IBVS y PBVS. Con la adquisición de dichos conocimientos teóricos, ha sido posible desarrollar una aplicación de simulación en Matlab que permite un alto grado de personalización de los casos de control. Con ello, se han realizado múltiples pruebas de simulación para estudiar el desempeño de los diferentes algoritmos de control estudiados, con especial interés en el Visual Servoing. Todo esto se explica en el capítulo del simulador. Por último, como se explica en el capítulo de validación experimental, se han probado los algoritmos de IBVS y PBVS para tareas de posicionado y de IBVS para tracking con un brazo robótico industrial KUKA, lo cual ha permitido familiarizarse con las particularidades de la implementación real.