Robotický manipulátor s vizuální zpětnou vazbou

Abstract

Tato práce se zabývá řízením šestiosého manipulátoru s využitím vizuální zpětné vazby, což robotickému rameni dává schopnost provádět úlohy v dynamicky se měnícím prostředí. Kinematická struktura robotického systému je popsána pomocí Denavit-Hartenberg parametrů a v URDF formátu. V prostředí ROS2 jsou implementovány metody pro řešení přímé i inverzní kinematiky, včetně pokročilého solveru s nullspace optimalizací v singularitě. Požadavky na kloubové pohyby zpracovává vícevláknový ovladač s asynchronním přístupem ke sběrnici. Práce se věnuje řízení s vizuální zpětnou vazbou, konkrétně metodám IBVS a PBVS, přičemž na základě provedené analýzy byla zvolena varianta PBVS. Je rovněž kladen důraz na volbu vhodné kamery, její umístění a kalibraci. K minimalizaci latence při komunikaci v rámci ROS2 systému jsou nasazeny pokročilé techniky jako node composition a intra-process communication. Popsány jsou také konstrukční problémy použitého manipulátoru Arctos, společně s jejich řešením. Byl také implementován plánovač lineární trajektorie a grafická aplikace pro vizualizaci a konfiguraci systému. Vytvořený systém je prezentován formou demonstračního videa a bude nasazen v rámci projektu Brno Mars Rover.

The thesis deals with the visual servoing of a six-axis manipulator which grants the manipulator the ability to perform tasks in a dynamically changing environment. The kinematic structure of the robotic system is described using Denavit-Hartenberg parameters as well as URDF format. Methods for solving forward and inverse kinematics are implemented within the ROS2 framework, including an advanced solver with nullspace singularity optimization. Joint motion requests are handled by a multithreaded driver with asynchronous access to the communication bus. Various methods of the visual servoing are introduced with the PBVS approach being integrated into the system. The importance of choosing the right camera type and placement as well as its calibration is emphasized. Advanced optimization methods such as node composition and intra-process communication are implemented with the goal of decreasing the latency during communication amongst ROS2 nodes. Solutions to number of mechanical challenges related to the Arctos manipulator are also discussed. Furthermore, the graphical interface for monitoring and control of the system was implemented alongside a path planning algorithm. The developed system will be deployed as part of the Brno Mars Rover project.