Title
Adaptivno spajanje delova u tehnologiji robotizovane montaže primenom kinematski redundantnih robota
Creator
Lukić, Nikola, 1986-
CONOR:
91486985
Copyright date
2022
Object Links
Select license
Autorstvo-Nekomercijalno-Bez prerade 3.0 Srbija (CC BY-NC-ND 3.0)
License description
Dozvoljavate samo preuzimanje i distribuciju dela, ako/dok se pravilno naznačava ime autora, bez ikakvih promena dela i bez prava komercijalnog korišćenja dela. Ova licenca je najstroža CC licenca. Osnovni opis Licence: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/deed.sr_LATN. Sadržaj ugovora u celini: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/legalcode.sr-Latn
Language
Serbian
Cobiss-ID
Theses Type
Doktorska disertacija
description
Datum odbrane: 27.10.2022.
Other responsibilities
Academic Expertise
Tehničko-tehnološke nauke
University
Univerzitet u Beogradu
Faculty
Mašinski fakultet
Alternative title
Adaptive part mating in robotic assembly technology using kinematically redundant robots
Publisher
[N. Lukić]
Format
266 str.
description
Mašinsko inženjerstvo - Proizvodno mašinstvo / Mechanical Engineering -Production Engineering
Abstract (sr)
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
Abstract (en)
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
Authors Key words
tehnologija robotizovane montaže, proces spajanja delova, kinematski redundantni
roboti, generalizovana krutost, konfiguracioni prostor nule, komplementarni projektor, kibernetski
koncept hijerarhijske organizacije i koordinacije, višekriterijumska optimizacija.
Authors Key words
robotic assembly technology, part mating process, kinematically redundant robot arm,
generalized stiffness, configuration null space, complementary projector, cybernetic concept of
hierarchical organization and coordination, multicriteria optimization.
Classification
621.717‑52:007.52(043.3)
Type
Tekst
Abstract (sr)
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
“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core xml and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.