Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Sensorless collision detection with safe reaction for a robot manipulator.
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM).
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Kollisionsdetektering och reaktionsstrategier för en robot utan vridmomentsensorer. (Swedish)
Abstract [en]

This thesis is about collision detection and reaction for robot manipulators without joint torque sensors. The method for detecting collisions used by [1], [2] is based on an algorithm that estimates the residual torque i.e. the friction- and external torque in each joint by only using position data from encoders and the currents in each joint on the robot.

The dynamic models for the robot in the residual torque estimation algorithm are calculated using the Lagrangian formulation. These models consist of different components that influence the joint torques such as inertia, centripetal acceleration, coriolis acceleration and gravity. By modelling the friction torque in the joints, it is possible to compare the modelled friction torque with the estimated residual torque from the algorithm. The difference between these torques results in an estimation of the external torque acting on each joint.

Thresholds for the external torques are experimentally determined, when the external torques exceed these, a collision is detected by the robot. After a collision has been detected, the robot needs to react in a safe way to minimize the risk of damaging the robot and its environment. Collision reaction strategies have been proposed by [3], a few of these are implemented and compared between each other for different cases of collision in this thesis.

The collision detection and different collision reactions were implemented on a UR5-e robot from Universal robots. The results showed that the simple reaction of braking the robot and then maintaining the position using position control is the quickest way of stopping the motion of the robot after a collision has been detected.

Due to the hazard of someone getting stuck between the robot and the environment the former explained strategies were not chosen as an optimal collision strategy, instead a strategy where the robot brakes and then switches to a compliant control mode showed to be a better solution since the stopping time is only slightly longer but the impulse of the collision is the best of all the different strategies that were tested.

Where the previous research in the field of sensorless collision detection that has been referenced in this report only has focused on the method of detecting the collision, this thesis continues the research by applying different reaction strategies on a robot without torque sensors and torque control capabilities. By combining the method for collision detection from [1], [2] together with reaction strategies from [3], this thesis has shown how robot manipulators that do not have expensive torque sensors in each joint can be made safer.

Abstract [sv]

Detta examensarbete handlar om kollisionsdetektering och kollisionsreaktion för robotarmar utan vridmomentssensorer. Detekteringsmetoden som tidigare använts av [1], [2] bygger på en algoritm som uppskattar residual vridmomentet d.v.s. friktions- samt det externa vridmomentet i varje axel genom att enbart nyttja positionsgivare och strömsensorer på roboten.

De dynamiska modellerna för roboten som används i algoritmen för beräkning av residual vridmomentet framtags med hjälp av Lagranges ekvationer, dessa modeller består av olika komponenter som påverkar vridmomenten i robotens leder så som tröghetsmoment, centripetalacceleration, corioliseffekt samt gravitation.

Genom att ta fram modeller för friktionsvridmomenten i robotens axlar går det att jämföra de beräknade friktionsvridmomenten från modellerna med de uppskattade residual vridmomenten från algoritmen, skillnaden mellan dessa två vridmoment blir då en uppskattning på det externa vridmomentet som roboten utsätts för.

Tröskelvärden för de externa vridmomenten bestäms genom experiment, dessa tröskelvärden är till för att upptäcka kollisioner genom att övervaka när de externa vridmomenten överskrider dessa värden.

Till följd av att en kollision har upptäckts måste roboten reagera på ett sätt som minimerar risken att roboten eller omgivningen tar skada. Strategier för hur en robot kan reagera då en kollision inträffar har tagits fram av [3], ett par av dessa implementeras och jämförs för olika kollisionsfall i denna rapport.

Kollisionsdetekteringen samt olika reaktionsstrategier implementerades på en UR5-e robot från Universal robots. Resultaten visade att den enkla reaktionen där roboten bromsar och sedan bibehåller positionen med hjälp av positionsreglering var den reaktion som var snabbast att stoppa rörelsen av roboten.

På grund av risken att någon kan fastna mellan roboten och omgivningen valdes inte strategin som tidigare beskrevs. En strategi där roboten bromsar och sedan går in i ett fridrifts läge visade sig vara en bättre lösning då tiden att få stopp på roboten var bara något längre än den 2 snabbaste strategin samt att impulsen vid en kollision i genomsnitt var lägst av alla strategier som prövades.

Då tidigare forskning i området för sensorlös kollisonsdetektering som refereras i denna rapport enbart har fokuserat på kollision detekteringen, bygger denna rapport vidare på den forskning som utförts genom att lägga till och implementera olika strategier för kollisionsreaktion på en robot utan vridmomentsensorer eller vridmomentsreglering.

Genom att kombinera metoden för kollisionsdetektering tagen från [1], [2] med reaktions strategier från [3] har detta examensarbete visat hur en robotarm som inte har dyra vridmomentssensorer kan göras säkrare.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 67
Series
TRITA-ITM-EX ; 2019:277
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-263829OAI: oai:DiVA.org:kth-263829DiVA, id: diva2:1370410
External cooperation
Spectrogon AB
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-11-15 Created: 2019-11-15 Last updated: 2019-11-15Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(6023 kB)10 downloads
File information
File name FULLTEXT02.pdfFile size 6023 kBChecksum SHA-512
c163091e2b14bdc399796cad29f41808a8b29f57054fb93b144a585461d5179f2b5c3c330490e73476cbff697e55bff53f7e8ae5951e2a0cbff6dc895e898c49
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Industrial Engineering and Management (ITM)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 10 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 14 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf