Controlling a manipulator of a service robot by following the operator's hand movements in space

Podobné dokumenty
Introduction to MS Dynamics NAV

Gymnázium, Brno, Slovanské nám. 7 WORKBOOK. Mathematics. Teacher: Student:

The Over-Head Cam (OHC) Valve Train Computer Model

Tento materiál byl vytvořen v rámci projektu Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.

Litosil - application

GUIDELINES FOR CONNECTION TO FTP SERVER TO TRANSFER PRINTING DATA

Czech Republic. EDUCAnet. Střední odborná škola Pardubice, s.r.o.

Návrh a implementace algoritmů pro adaptivní řízení průmyslových robotů

1 INTRODUCTION 2 TESTING HARDWARE

GENERAL INFORMATION RUČNÍ POHON MANUAL DRIVE MECHANISM

Vliv metody vyšetřování tvaru brusného kotouče na výslednou přesnost obrobku

EXACT DS OFFICE. The best lens for office work

CHAPTER 5 MODIFIED MINKOWSKI FRACTAL ANTENNA

User manual SŘHV Online WEB interface for CUSTOMERS June 2017 version 14 VÍTKOVICE STEEL, a.s. vitkovicesteel.com

USING VIDEO IN PRE-SET AND IN-SET TEACHER TRAINING

DC circuits with a single source

VYSOKÁ ŠKOLA HOTELOVÁ V PRAZE 8, SPOL. S R. O.

WORKSHEET 1: LINEAR EQUATION 1

Využití hybridní metody vícekriteriálního rozhodování za nejistoty. Michal Koláček, Markéta Matulová

CHAIN TRANSMISSIONS AND WHEELS

VY_32_INOVACE_06_Předpřítomný čas_03. Škola: Základní škola Slušovice, okres Zlín, příspěvková organizace

2. Entity, Architecture, Process

Střední průmyslová škola strojnická Olomouc, tř.17. listopadu 49

Transportation Problem

POPIS TUN TAP. Vysvetlivky: Modre - překlad Cervene - nejasnosti Zelene -poznamky. (Chci si ujasnit o kterem bloku z toho schematu se mluvi.

Theme 6. Money Grammar: word order; questions

USER'S MANUAL FAN MOTOR DRIVER FMD-02

Mechanika Teplice, výrobní družstvo, závod Děčín TACHOGRAFY. Číslo Servisní Informace Mechanika:

Automatika na dávkování chemie automatic dosing

Uživatelská příručka. Xperia P TV Dock DK21


LOGOMANUÁL / LOGOMANUAL

Project Life-Cycle Data Management

Izolační manipulační tyče typ IMT IMT Type Insulated Handling Rod

TechoLED H A N D B O O K

Právní formy podnikání v ČR

By David Cameron VE7LTD

Obrábění robotem se zpětnovazební tuhostí

Co je uvnitř - senzory a přístrojová technika v NXT robotech. Pavel Ripka katedra měření ČVUT

CZ.1.07/1.5.00/

FIRE INVESTIGATION. Střední průmyslová škola Hranice. Mgr. Radka Vorlová. 19_Fire investigation CZ.1.07/1.5.00/

Database systems. Normal forms

Dynamic Signals. Ananda V. Mysore SJSU

TELEGYNEKOLOGIE TELEGYNECOLOGY

POLOHOVÁNÍ ULTRAZVUKOVÉHO SENZORU

SenseLab. z / from CeMaS. Otevřené sledování senzorů, ovládání zařízení, nahrávání a přehrávání ve Vaší laboratoři

UPM3 Hybrid Návod na ovládání Čerpadlo UPM3 Hybrid 2-5 Instruction Manual UPM3 Hybrid Circulation Pump 6-9

Klepnutím lze upravit styl předlohy. nadpisů. nadpisů.

DATA SHEET. BC516 PNP Darlington transistor. technický list DISCRETE SEMICONDUCTORS Apr 23. Product specification Supersedes data of 1997 Apr 16

MC Tlumiče (řízení pohybu) MC Damper

The Czech education system, school

WYSIWYG EDITOR PRO XML FORM

PC/104, PC/104-Plus. 196 ept GmbH I Tel. +49 (0) / I Fax +49 (0) / I I

Střední průmyslová škola strojnická Olomouc, tř.17. listopadu 49

Gymnázium, Brno, Slovanské nám. 7, SCHEME OF WORK Mathematics SCHEME OF WORK. cz

Převod prostorových dat katastru nemovitostí do formátu shapefile

1, Žáci dostanou 5 klíčových slov a snaží se na jejich základě odhadnout, o čem bude následující cvičení.

Digitální učební materiál

CZ.1.07/1.5.00/

Výukový materiál zpracovaný v rámci operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost

Gymnázium a Střední odborná škola, Rokycany, Mládežníků 1115

VŠEOBECNÁ TÉMATA PRO SOU Mgr. Dita Hejlová

PRAVIDLA ZPRACOVÁNÍ STANDARDNÍCH ELEKTRONICKÝCH ZAHRANIČNÍCH PLATEBNÍCH PŘÍKAZŮ STANDARD ELECTRONIC FOREIGN PAYMENT ORDERS PROCESSING RULES

CZ.1.07/1.5.00/

Střední průmyslová škola strojnická Olomouc, tř.17. listopadu 49

Obsah&/&Content& Všeobecné)podmínky)(v)češtině)) Terms)and)Conditions)(in)english)) )

Biosensors and Medical Devices Development at VSB Technical University of Ostrava

Cambridge International Examinations Cambridge International General Certificate of Secondary Education

M-LOCK Magnetický zámek pro křídlové sklněné dveře. M-LOCK Magnetic lock for glass swing doors

Petr Bednář managing director

Aplikace matematiky. Dana Lauerová A note to the theory of periodic solutions of a parabolic equation

SEZNAM PŘÍLOH. Příloha 1 Dotazník Tartu, Estonsko (anglická verze) Příloha 2 Dotazník Praha, ČR (česká verze)... 91

CZ.1.07/1.5.00/ Zefektivnění výuky prostřednictvím ICT technologií III/2 - Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

Standardní řada lisů Standard range of presses: x x x

Radiova meteoricka detekc nı stanice RMDS01A

LOGBOOK. Blahopřejeme, našli jste to! Nezapomeňte. Prosím vyvarujte se downtrade

Just write down your most recent and important education. Remember that sometimes less is more some people may be considered overqualified.

2N Voice Alarm Station

The Military Technical Institute

EU peníze středním školám digitální učební materiál

How to get to Hotel Step (venue of WWP AW 2018)

Výukový materiál zpracovaný v rámci projektu EU peníze do škol. illness, a text

Intenzivní cvičení - Čichnova 23, Brno-Komín

Aktivita CLIL Chemie III.

IPR v H2020. Matěj Myška myska@ctt.muni.cz

Palmovka Business center Kancelářské prostory k pronájmu / Offices for lease. Na Žertvách 2247/29, Prague 8

Transformers. Produkt: Zavádění cizojazyčné terminologie do výuky odborných předmětů a do laboratorních cvičení

UŽIVATELSKÁ PŘÍRUČKA

CZ.1.07/1.5.00/

Cambridge International Examinations Cambridge International General Certificate of Secondary Education

Caroline Glendinning Jenni Brooks Kate Gridley. Social Policy Research Unit University of York

18.VY_32_INOVACE_AJ_UMB18, Frázová slovesa.notebook. September 09, 2013

Výukový materiál zpracovaný v rámci operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost

CZ.1.07/1.5.00/

Configuration vs. Conformation. Configuration: Covalent bonds must be broken. Two kinds of isomers to consider

Compression of a Dictionary

Eurogranites 2015 Variscan Plutons of the Bohemian Massif

Dynamic Development of Vocabulary Richness of Text. Miroslav Kubát & Radek Čech University of Ostrava Czech Republic

TKGA3. Pera a klíny. Projekt "Podpora výuky v cizích jazycích na SPŠT"

CZ.1.07/1.5.00/

Transkript:

DSpace VSB-TUO http://www.dspace.vsb.cz þÿx a d a s t r o j n í / M e c h a n i c a l S e r i e s þÿx a d a s t r o j n í. 2 0 1 0, r o. 5 6 / M e c h a n i c a l S e r i e s Controlling a manipulator of a service robot by following the operator's hand movements in space 2010-12-08T13:13:17Z http://hdl.handle.net/10084/83482 Downloaded from DSpace VSB-TUO

Transactions of the VŠB Technical University of Ostrava, Mechanical Series No. 1, 2010, vol. LVI article No. 1752 Tomáš KOT *, Ján BABJAK **, Vladimír MOSTÝN, Petr NOVÁK CONTROLLING A MANIPULATOR OF A SERVICE ROBOT BY FOLLOWING THE OPERATOR S HAND MOVEMENTS IN SPACE ŘÍZENÍ MANIPULÁTORU SERVISNÍHO ROBOTU KOPÍROVÁNÍM POHYBŮ RUKY OPERÁTORA V PROSTORU Abstract This paper describes a practical solution of the problem of controlling a manipulator arm of a mobile service robot by a human operator using the natural method of following the movements of the operator s hand in space. This system is a part of the complex control system of the mobile robot Hercules developed by the Department of robotics and is used to control its 3-degree-of-freedom manipulator with a gripper, but can be after some modifications applied to any similar arm with up to 6 degrees of freedom. Abstrakt Článek popisuje praktické řešení problematiky řízení manipulační nadstavby mobilního servisního robotu lidským operátorem pomocí přirozené metody kopírování pohybu operátorovy ruky v prostoru. Systém je součástí komplexního řídicího systému mobilního robotu Hercules navrženého katedrou robototechniky a je využíván pro řízení manipulátoru s 3 stupni volnosti a chapadlem, který je na tomto robotu umístěn. Po několika úpravách může být však použit pro řízení libovolného podobného ramene s až 6 stupni volnosti. 1 INTRODUCTION Autonomous mobile robots able to perform complicated tasks without any intervention from a man are a popular and important field in robotics, but there are still a lot of situations where a mobile robot controlled remotely by a human operator is the best possible solution. This includes for example service robots used by pyrotechnics to disarm or transport explosions, or any similar complicated and non-repeating manipulating tasks in general. There are few possible ways how to design a user interface translating human orders into movements of the manipulator, each having its advantages and disadvantages. Probably the most common interface consists of one or more analog joysticks operated in order to move either the individual joins of the robotic arm or to directly manipulate the effector in 3D space using the inverse kinematics. More natural and easier-to-learn for the operator is a method using a special system tracking the movements of the operator s hand in space and reproducing this commands on the manipulator. 2 INVERSE KINEMATICS The manipulator of the robot Hercules is a simple arm with 3 rotation joins. With 3 degrees of freedom, the operator is able to set 3 coordinates, in this case the 3D vector of position of the reference point of the effector (gripper) located on the last link of the arm. As already mentioned above, the operator is setting this vector directly by positioning his hand in space. * Ing., VŠB-Technical University Ostrava, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Robotics, 17. listopadu 15, Ostrava, tel. (+420) 597 329 363, e-mail tomas.kot@vsb.cz ** Ing., VŠB-Technical University Ostrava, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Robotics, 17. listopadu 15, Ostrava, tel. (+420) 597 329 362, e-mail jan@babjak.cz 121

Fig. 1 Mobile robot Hercules Each of the three joins of the arm contains a DC motor with encoder. To get the desired control values for these motors (angle of rotation), it is necessary to perform inverse kinematics. The chosen algorithm for inverse kinematics is very easy to program for real-time control systems as it does not require multiple iterations and consists just of basic trigonometric operations. Fig. 2 Kinematic structure of the manipulator Fig. 2 shows the input parameters of the algorithm coordinates [X 3, Y 3, Z 3 ], and the output parameters angles of rotation of the joints (q 1, q 2, q 3 ). The coordinate q 1 can be computed directly as: The mechanism is planar; the plane is defined by the z b axis and the angle q 1 (axis r), as shown on Fig. 2 and Fig. 3. 122 (1)

Fig. 3 Schema of the inverse kinematics calculations The scheme on Fig. 3 can be used to deduce the following equations: (3) The value of p must now be checked to be not bigger than L 2 + L 3. If it is bigger, the desired point is out of reach for the manipulator. Otherwise, the calculation continues as follows: (2) (4) (5) 3 MOTION TRACKING The movements of the operator s hand are tracked by the 6-DOF sensor Polhemus PATRIOT. The system consists of a source of a magnetic field, a sensor and a central unit, which is connected to a PC by the USB or serial (COM) port. (6) (7) (8) Fig. 4 The 6-DOF sensor PATRIOT 123

The operator has the sensor fixed to his hand; the magnetic field source is stationary. PA- TRIOT measures the distances and rotations between the sensor and the source and sends these data periodically to the control system in the form shown on Fig. 5. Fig. 5 The form and content of the PATRIOT data packet The control system of Hercules allows the operator to change the scale even during operation, which means that the hand movement of for example 10 cm can be reproduced as a 10 cm movement of the effector one time, and as 2 cm or 50 cm other times. Because of this scaling, it is possible to both cover easily the whole working space of the manipulator and maintain required accuracy for fine movements. Fig. 6 Principle of operation The sensor provides all 6 coordinates in space (3 for position and 3 for rotation, see Fig. 5). For the Hercules manipulator, only the position is needed. The rotations are, however, used for other functions, for example to enable or disable tracking when the operator rotates the palm of his hand upwards, the tracking is paused and the operator can safely reposition his hand without affecting the robot. In this paused state, the operator can use the sensor to draw gestures to control additional features of the robot, like turning off and on the laser proximity sensor located on the arm. In every step of the discrete control system, the required vector of position is acquired from the PATRIOT sensor, and the actual position vector of the effector is computed by forward kinematics using the values from motor encoders. Both these vectors are converted into joint rotations using the inverse kinematics. DC motors of the arm are controlled in velocity mode the velocities are calculated from the differences of angles and time between two steps: 4 CONCLUSIONS The method described in this article has already been tested in practice on the real robot Hercules. It was discovered that for a really natural feeling of motion tracking and following, the arm must be equipped with drives fast enough to allow the manipulator to actually follow the operator s hand. This is not entirely the case of the Hercules robot and the operator is unwittingly forced to slow 124 (9)

his movements and wait for the manipulator. Another drawback of this method is the fact that it can become wearing for the operator to hold his hand steadily for few minutes. However, the advantages are appreciable even more. The operator can perform really complicated movements with ease and does not have to worry about performing a wrong move because of the common but unnatural joystick controls. The tested sensor PATRIOT measures all the possible 6 coordinates of an object in 3D space. The system can be thus adapted also to more complicated robotic arms with up to 6 degrees of freedom. In this case, not just the position of the operator s hand is considered, but also the orientation of the hand or the whole arm, which is then represented by corresponding rotation of the robot s effector around the reference point. This article was compiled as part of project FT-TA5/071, supported by the Industrial Research and Development Program of the Ministry of Industry and Trade. REFERENCES [1] SKAŘUPA, J., MOSTÝN, V. Teorie průmyslových robotů. 1. vyd. Košice : Edícia vedeckej a odbornej literatúry - Strojnícka fakulta TU v Košiciach, VIENALA Košice, 2001. 150 s. ISBN 80-88922-35-6. [2] MOSTÝN, V. Mechatronika. Ostrava : VŠB-TU Ostrava, 2000. 68 s. ISBN 80-7078-734-1. [3] Polhemus [online]. 2009. PATRIOT 6 Degree-Of-Freedom Tracking System. Available from WWW: <http://www.polhemus.com/?page=motion_patriot>. [4] NOVÁK, P. Mobilní roboty pohony, senzory, řízení. 1.vydání, Praha: BEN technická literatura, 2005, 248 stran. ISBN80-7300-141-1. [5] KOT, T., MOSTÝN, V., NOVÁK, P. Application of virtual reality for verification of characteristics of mobile robots. In Proceedings of the ICMT 09 - International Conference on Military Technologies. Brno : University of Defence, 2009. pp. 517-524. ISBN 978-80-7231-649-6. [6] MOSTÝN, V., KOT, T., MIHOLA, M., KRYS, V. Simulation Model of Manipulating Arms of the Service Robot. In Proceeding of Lectures of 3rd International Conference Modelling of the Mechanics and Mechatronics Systems - MMaMS 2009. 2009. pp. 312-318. ISBN 978-80- 553-0288-1. 125

126