Performance measurement of mobile manipulators

par Roger Bostelman

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Sebti Foufou et de Dominique Michelucci.

Le président du jury était Roucoules Lionel.

Le jury était composé de Frédéric Segonds, Abdelaziz Bouras.

Les rapporteurs étaient Merzouki Rochdi.

  • Titre traduit

    Mesure de la performance des manipulateurs mobiles


  • Résumé

    Une approche avancée de la fabrication flexible consiste à déplacer des manipulateurs robotisés AGV ou robot mobile, appelé manipulateurs mobiles, entre les postes de travail. L'utilisation de manipulateurs mobiles peuvent être avantageux dans un certain nombre de situations. Cela peut entraîner des coûts économies lorsqu'un seul manipulateur mobile peut être utilisé pour remplacer plusieurs stationnaires manipulateurs. Cependant, les manipulateurs mobiles sont «une discipline relativement jeune robotique. "Une revue de la littérature approfondie de la recherche menant à la commercialisation mobile manipulateurs et robots mobiles a été réalisée. La mesure de la performance du mobile les manipulateurs, y compris une base mobile avec un bras de robot embarqué, sont pratiquement inexistants. Cependant, les manipulateurs mobiles commencent à apparaître dans la fabrication, la santé, et peut-être d'autres industries et, par conséquent, une méthode pour mesurer leur performance est essentielle pour les fabricants et les utilisateurs de ces systèmes relativement complexes. Mesures de mobile manipulateurs effectuant des tâches standard (poses et mouvements) sont également inexistants, sauf pour simplement s'assurer que la tâche a été plus ou moins complétée. La tâche choisie pour cela thèse est l'assemblage en raison de son exigence de pose de système.Les méthodes de test de performance ont pris du retard par rapport aux méthodes de test de sécurité pour les manipulateurs mobiles qui progresse vers le développement d'une nouvelle norme de sécurité aux États-Unis. Métriques pour la sécurité et la performance des manipulateurs mobiles comprennent de nombreux domaines, tels que: l'achèvement des tâches, le temps nécessaire pour accomplir la tâche, la qualité et la quantité (c.-à-d.répétabilité, respectivement) des tâches accomplies. Avant l'acceptation industrielle et les normes développement pour les manipulateurs mobiles, les utilisateurs de ces nouveaux systèmes attendront des fabricants fournir des données de performance réelles pour guider leur approvisionnement et assurer l'aptitude à tâches d'application. En raison du coût relativement élevé pour acquérir et installer des systèmes de suivi de mouvement Pour mesurer la performance des systèmes, une méthode alternative à utiliser par les fabricants et les utilisateurs est idéal. Un nouveau concept de méthode de test qui utilise un artefact, appelé mobile reconfigurable Manipulateur Artefact (RMMA), est décrit dans cette thèse et comparé à un suivi optique système qui a été utilisé comme vérité de terrain pour le RMMA et manipulateur mobile. Système de modélisation du système de manipulation mobile, des composants et des les mesures peuvent aider à améliorer la compréhension de ces systèmes relativement complexes.Systems Modelling Language (SysML) a été choisi et utilisé tout au long de cette thèse, car de SysML a des modules logiciels réutilisables pour la structure, le comportement, les exigences et parametrics sur le manipulateur mobile. Les modèles décrivent les nombreux aspects de mesurer la performance des manipulateurs mobiles également en tant que nouveau domaine de recherche.Les modèles étaient évalué à travers des expériences sur un exemple de composants manipulateurs mobiles et l'ensemble système. SysML a été utilisé pour décrire la base théorique de la performance à travers la propagation de l'incertitude lorsque les équations mathématiques sont également modélisées.Un cas d'utilisation est modélisé et décrit où les concepts recherchés pour mesurer les mobiles les performances du manipulateur sont appliquées à une implémentation de fabrication. Le simpliste la nature du processus de mesure utilisant le RMMA peut être directement appliquée à processus de fabrication, et étendu au-delà des contributions de cette recherche à d'autres des besoins de mesure encore plus complexes (...).


  • Résumé

    An advanced approach to flexible manufacturing is to move robotic manipulators, using anAGV or mobile robot, called mobile manipulators, between workstations. The use ofmobile manipulators can be advantageous in a number of situations. It can result in costsavings when a single mobile manipulator can be used to replace several stationarymanipulators. However, mobile manipulators are “a relatively young discipline withinrobotics.” An extensive literature review of the research leading to commercial mobilemanipulators and mobile robots was performed. The performance measurement of mobilemanipulators, including a mobile base with an onboard robot arm, is virtually non-existent.However, mobile manipulators are beginning to appear in manufacturing, healthcare, andpossibly other industries and therefore, a method to measure their performance is critical toboth manufacturers and users of these relatively complex systems. Measurements of mobilemanipulators performing standard tasks (poses and motions) are also non-existent except forsimply ensuring that the task has been more or less completed. The task chosen for thisthesis is assembly due to its requirement for relatively precise system posing.Performance test methods have lagged behind safety test methods for mobile manipulatorswhich is progressing towards development of a new safety standard in the US. Metrics forsafety and performance of mobile manipulators include many areas, such as: safe operation,task completion, time to complete the task, quality, and quantity (i.e., accuracy andrepeatability, respectively) of tasks completed. Prior to industrial acceptance and standardsdevelopment for mobile manipulators, users of these new systems will expect manufacturersto provide real performance data to guide their procurement and assure suitability for givenapplication tasks. Due to the relatively high cost to procure and setup motion tracking systemsto measure systems performance, an alternative method for use by manufacturers and users isideal. A new test method concept that uses an artifact, called the Reconfigurable MobileManipulator Artifact (RMMA), is described in this thesis and compared to an optical trackingsystem that was used as ground truth for the RMMA and mobile manipulator.System modeling the mobile manipulator system, components, and the associatedmeasurements can help to improve the understanding of these relatively complex systems.Systems Modeling Language (SysML) was chosen and used throughout this thesis becauseof SysML has reusable software modules for structure, behavior, requirements andparametrics off the mobile manipulator. The models describe the many aspects ofmeasuring mobile manipulator performance also as new research area. The models wereevaluated through experiments on an example mobile manipulator components and the entiresystem. SysML was used to describe the theoretical basis of the performance throughpropagation of uncertainty where mathematical equations are also modeled.A use case is modeled and described where the concepts researched to measure mobilemanipulator performance are applied to a manufacturing implementation. The simplisticnature of the measurement process using the RMMA can be directly applied to today’smanufacturing processes, and extended beyond the contributions of this research to othereven more complex measurement needs. The research is also discussed to even apply tocross-industry test methods for exoskeletons worn by humans.


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