Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/18243

TitleReaching, grasping and manipulation in anthropomorphic robot systems
Other titlesAlcançar, agarrar e manipular objetos em sistemas robóticos antropomórficos
Author(s)Silva, Eliana Oliveira Costa
Advisor(s)Bicho, E.
Erlhagen, Wolfram
Meulenbroek, Ruud
Issue date10-Oct-2011
Abstract(s)The aim of this PhD project was to endow the Anthropomorphic Robot System ARoS with human-like reaching, grasping and manipulation, by combining diverse skills in Engineering, Mathematics and Human Motor Contro. This robotic platform is used in human-robot collaboration tasks and was dsigned and built at the Department of Industrial Electronics, University of Minho. ARoS consists of a static torso, equipped with seven degrees of freedom anthropomorphic arm, a four degrees of freedom three-fingered hand and a stereo vision system mounted on a pan-tilt unit. Due to the redundant degrees of freedom of its robotics arm and hand, a goal directed action, in everyday tasks such as reach-to-grasp an object, may be achieved in multiple ways. Using knowledge from experimental work and functional models of human upper limb we developed a model for movement planning and control of ARoS’ robotics arm and hand for reaching and grasping objects in three-dimensional space for different objects and grip types, and manipulate them. Our aim was to generate smooth, fluent and collision-free arm and hand movements that qualitatively explain the main characteristics of hand and arm trajectories observed in experiments with humans. These characteristics together with an anthropomorphic shape have been pointed out as key characteristics for facilitating human-robot collaboration. We were strongly inspired by the posture-based model of Rosenbaum and colleagues and particularly interested in exploiting the obstacle avoidance mechanism proposed by them for the robotics domain. The movement planning and control model that was developed is used as part of the robot control architecture to generate the overt motor behavior in different shared tasks. We have tested the movement planning for simple reach-to-grasp movements but also in more complex tasks such as the construction of a toy vehicle or assisting a human to drink, which involve manipulation of objects and communicative gestures. The results show that our strategy to borrow principles from Human Motor Control is a feasible approach towards more human-like movements of an anthropomorphic robotics arm and hand.
O objetivo deste projeto de doutoramento foi dotar o robô antropomórfico ARoS com movimentos de alcançar, agarrar e manipular objetos, de modo semelhante aos efetuados pelos seres humanos, através da combinação de diversas competências em Engenharia, Matemática e Controlo Motor em Humanos. Esta plataforma robótica é utilizada em diversas tarefas de colaboração entre humano e robô, e foi projetada e construída no Departamento de Eletrônica Industrial da Universidade do Minho. O robô ARoS consiste num tronco estático, equipado com um braço antropomórfico com 7 graus de liberdade, uma mão robótica com três dedos num total de 4 graus de liberdade i e um sistema de visão estéreo montados numa unidade pan-tilt. Ações dirigidas a um objetivo, executadas em tarefas quotidianas, tais como alcançar e agarrar um objeto, podem ser efetuadas de várias formas, devido aos graus de liberdade redundantes do braço e da mão robóticos. Usando conhecimentos obtidos em trabalhos experimentais com humanos e modelos funcionais dos membros superiores humanos, desenvolvemos um modelo de planeamento e controlo do movimento do braço e da mão robóticos do ARoS para alcançar, agarrar e manipular diferentes tipos de objetos, com diferentes tipos de garra, no espaco tridimensional. O nosso objetivo era gerar movimentos, do braço e mão, suaves, fluentes e livres de colisões, que explicassem qualitativamente as principais características das trajetórias de movimentos da mão e do braço observadas em experiências com seres humanos. Estas características, juntamente com a forma antropomórfica, têm sido apontadas como principais caracteristicas facilitadoras da colaboração entre humanos e robôs. Para o desenvolvimento do nosso modelo fomos fortemente inspirados pelo posture-based model de Rosenbaum e colegas. Estivemos particularmente interessados em explorar, para o domínio da robótica, o mecanismo de desvio de obstáculos por eles proposto. O modelo que foi desenvolvido para o planeamento e controlo do movimento, é utilizado como parte da arquitetura de controlo do robô para gerar o comportamento motor, em diferentes tarefas colaborativas. Testámos 0 planeamento do movimento não só para os movimentos simples de alcançar e agarrar, mas também em tarefas mais complexas como a construção de um veículo brinquedo ou prestação de assistência a um ser humano para beber, as quais envolvem a manipulação de objetos e gestos comunicativos. Os resultados mostram que a nossa estratégia de recorrer a princípios de Controlo Motor em Humanos é uma abordagem viável para dotar um braço e uma mão robóticos antropomórficos de movimentos que sejam mais parecidos com os movimentos efetuados por humanos.
TypeDoctoral thesis
DescriptionTese de doutoramento em Engenharia Electrónica e de Computadores
URIhttp://hdl.handle.net/1822/18243
AccessRestricted access (UMinho)
Appears in Collections:BUM - Teses de Doutoramento
DEI - Teses de doutoramento

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