Constraint control of robotic manipulators

Abstract

Kısıtlar, fiziksel sistemlerin geliştirilmeleri ve etkili bir şekilde çalışmaları için hayati bir öneme sahiptir. Özellikle bir sistemin durumlarına doğrudan müdahale edilmesinin mümkün olmadığı durumlarda en azından bu sistem durumlarının güvenli ve işlevsel sınırlar içinde tutulması can ve mal kaybının önüne geçmek için bir gerekliliktir. Bu ihtiyacı ele alan önemli bir gelişme, doğrusal olmayan sistemler için kontrolcü tasarımına bariyer Lyapunov fonksiyonunlarının (BLF) entegre edilmesidir. Bu tez de, özellikle robot manipülatörler için doğrusal olmayan kontrolcü tasarımlarında BLF'nın entegras- yonunu ele almaktadır. Tezdeki çalışmaların genel hedefi, BLF'nı kullanarak geliştirilen kontrolcülerle çeşitli operasyonel koşullar altında robot manipülatörlerin etkili bir şe\-kilde yörünge takibi gerçekleştirmesidir. Bu amaç doğrultusunda, robot manipülatörlerin operasyonel etkinliğini ve güvenliğini artırmayı hedefleyen üç farklı kontrol stratejisi önerilmektedir. İlk çalışmamızda, BLF kullanılarak geliştirilen iki özgün tam durum geri beslemeli, istenen model tabanlı ve eklem pozisyonu kısıtlı robot kontrolcü tasarımları tanıtılmaktadır. Bu kısıt kontrolcüleri, robot dinamiğindeki belirsizliklere rağmen, etkili bir takip kontrolüne izin verirken aynı zamanda pozisyon takip hatalarını önceden belirlenmiş sınırlar içinde güvenilir bir şekilde sınırlandırmaktadır. İkinci çalışmamız, belirsiz dinamik parametrelere sahip robot manipülatörler için eklem pozisyonu takip hatası kısıtlı çıkış geri beslemeli kontrolcü tasarımları sunmaktadır. Önerilen kontrolcüler, eklem pozisyonu takip hatasını önceden belirlenmiş sınırlar içinde tutmayı ve hız ölçümleri olmamasına rağmen sıfıra yakınsamasını sağlamaktadır. Son çalışmamız ise, kinematik olarak fazlalıklı robot manipülatörler için görev alanı takip hatası kısıtlı bir takip kontrol stratejisi sunmaktadır. Bu kontrolcü tasarımında parametrik belir\-sizlikleri ve dış bozucu etkileri dengelemek için bir gürbüz kontrolcü bileşeni ile takip hatasını kısıtlamak için bir BLF bileşeni bulunmaktadır. Kontrolcü sayesinde görev alanı takip hatası terimine uygulanan kısıt, manipülatörün uç efektörünün sınırlandırılmış bir davranışa ve tahmin edilebilir bir geçici performansa sahip olmasına imkan vermektedir. Tez boyunca, önerilen her bir geri besleme kontrolcü tasarımcısının etkinliğini ve performansını göstermek için kapsamlı simülasyon çalışmaları ve deneysel doğrulamalar sunulmuştur.Constraints play a crucial role in the development of physical systems, being fundamental to their functionality and design. Especially in cases where direct manipulation in the states of a system is not possible, at least keeping these system states within safe and functional limits is necessary to prevent potential loss of life and property. Integrating barrier Lyapunov functions (BLF) into controller design for nonlinear systems is a significant development addressing this need. This thesis focuses on integrating BLF in nonlinear controller designs for robotic manipulators. The general objective of the studies in the thesis is to effectively perform trajectory tracking of robot manipulators under various operational conditions while applying constraints on certain system states. In line with this purpose, the thesis proposes three different control strategies to enhance robot manipulators' operational efficiency and safety. Our first study introduces two innovative full-state feedback desired model-based, joint position-constrained robot controller designs developed using BLFs. These constraint controllers allow effective tracking control despite dynamic uncertainties in robot dynamics while reliably limiting position-tracking errors within predetermined bounds. Our second study presents output feedback controller designs with joint position tracking error constraints for robot manipulators with uncertain dynamic parameters. The proposed controllers maintain the joint position tracking error within predetermined bounds and ensure its convergence to zero even without velocity measurements. Our last study presents a tracking control strategy with task space tracking error constraints for kinematically redundant robot manipulators. This controller design has a robust component to deal with parametric uncertainties and external disturbances, as well as a BLF component to limit tracking errors. The constraint imposed on the task space tracking error term ensures the manipulator's end effector has a limited behavior and predictable transient performance. Throughout the thesis, extensive simulation studies and experimental validations are presented to demonstrate the effectiveness and performance of each proposed feedback controller design.