TESIS Modelado Cinem Tico Y Control De Robots M Viles Con Ruedas

Modelado Cinemático y Control de
Robots Móviles con Ruedas

Tesis Doctoral
Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática
Universidad Politécnica de Valencia

Autor:
Luis Ignacio Gracia Calandín
Director: Dr. Josep Tornero i Montserrat

En primer lugar, agradezco al director de la tesis Dr. Josep Tornero su valiosa
ayuda, estímulo permanente y acertado asesoramiento a lo largo deltrabajo.
En segundo lugar, vaya también mi agradecimiento a mis compañeros del
Grupo de Investigación y del Departamento de Ingeniería de Sistemas y
Automática que de un modo u otro han contribuido al desarrollo de la tesis.

A mi familia

RESUMEN
La presente tesis doctoral aborda el modelado cinemático y control de robots
móviles con ruedas. En concreto se profundiza en los siguientes temas:
- Seplantea el modelado de una rueda genérica que incluye todos los tipos
comunes: fija, orientable centrada, orientable descentrada (castor) y sueca
(también denominada universal, Mecanum ó Ilon).
- Se describe un procedimiento eficiente para generar modelos cinemáticos,
basado en el concepto de espacio nulo, el cual se aplica posteriormente a un
gran número de tipos de robots móviles. Todos estos modelosson
caracterizados en cuanto a su precisión o transmisión de errores (isotropía).
- Se deduce un novedoso planteamiento geométrico que establece la
singularidad de cualquier modelo cinemático de cualquier robot con ruedas.
Este planteamiento se aplica a todos los tipos de robots anteriores.
- Se desarrolla el modelado dinámico del robot para, a través de tres sucesivas
aproximaciones y de lacaracterización de las fricciones en las ruedas, llegar a
un modelado cinemático con deslizamiento.
- Se plantea un esquema de control del robot con tres bucles de control
anidados (dinámico, cinemático y de planificación) que es conceptualmente
similar a los empleados en robots manipuladores. En particular se profundiza
en el bucle cinemático de nivel medio e indirectamente en el de planificación,
alcaracterizar las referencias que puede seguir cada tipo de robot sin error.
- Se presentan experiencias de comprobación de los algoritmos de modelado
con deslizamiento y de control del robot, realizadas sobre una plataforma
eléctrica industrial (carretilla industrial).
- Finalmente se desarrollan dos soluciones para las aplicaciones de
aparcamiento en paralelo, con pre-planificación ycaracterización geométrica,
y de seguimiento de línea por visión.
Resumen

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ABSTRACT
This PhD thesis deals with the kinematic modeling and control of wheeled
mobile robots. In particular it focuses on the following issues:
- It is modeled a generic wheel that includes all the common types: fixed,
centered orientable, off-centered orientable (castor) and swedish (also
referred to as universal, Mecanum orIlon).
- It is developed an efficient procedure, based on the null space concept, to
obtain kinematic models. This procedure is applied to many mobile robots
and the accuracy of the obtained models is characterized through an isotropy
analysis.
- It is deduced a new geometric approach that establishes the singularity of any
kinematic model of any wheeled mobile robot. This geometric approach isapplied to all the mobile robots previously mentioned.
- It is proposed a kinematic modeling with slip obtained from successive
approximations of the robot dynamic model and the characterization of the
friction on the wheels.
- It is suggested a kinematic control scheme with three nested loops (dynamic,
kinematic and planning) that is similar to the approaches used for robotic
manipulators. It isstudied in depth the kinematic loop and indirectly the
planning loop, through the characterization of the references that each mobile
robot can track with no error.
- An industrial forklift has been used to test the algorithms of kinematic
modeling with slip and robot control.
- Finally two solutions have been developed for the robotic applications of
parallel parking and line tracking with a...