Experimental Study of the Methodology for the

0 downloads 0 Views 1MB Size Report
Jul 27, 2012 - The stress d load of 14 k. The defor ofλ. is 1. 055. It was valid the normal o the manual of e th a maxim um ha lation and real e son of the simu.
Missing:
ARTICLE International Journal of Advanced Robotic Systems

Experimental Study of the Methodology for the Modelling and Simulation of Mobile Manipulators Regular Paper

Luis Adrian Zuñiga Aviles1, 2, *, Jesus Carlos Pedraza Ortega1, 2 and Efren Gorrostieta Hurtado1, 2   1 Secretariat of National Defense and CIDESI, México 2 CIDIT-Facultad de Informática, Universidad Autónoma de Querétaro, México * Corresponding author E-mail: adrian_dgim@prodigy. net. mx   Received 7 May 2012; Accepted 27 Jul 2012 DOI: 10. 5772/51867I © 2012 Aviles et al. ; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons. org/licenses/by/3. 0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract This paper describes an experimental study of a  novel  methodology  for  the  positioning  of  a  multi‐ articulated  wheeled  mobile  manipulator  with  12  degrees  of  freedom  used  for  handling  tasks  with  explosive  devices.  The  approach  is  based  on  an  extension  of  a  homogenous  transformation  graph  (HTG),  which  is  adapted  to  be  used  in  the  kinematic  modelling  of  manipulators  as  well  as  mobile  manipulators.  The  positioning of a mobile manipulator is desirable when: (1)  the  manipulation  task  requires  the  orientation  of  the  whole  system  towards  the  objective;  (2)  the  tracking  trajectories  are  performed  upon  approaching  the  explosive device’s location on the horizontal and inclined  planes;  (3)  the  application  requires  the  manipulation  of  the explosive device; (4) the system requires the extension  of  its  vertical  scope;  and  (5)  the  system  is  required  to  climb  stairs  using  its  front  arms.  All  of  the  aforementioned desirable features are analysed using the  HTG,  which  establishes  the  appropriate  transformations  and  interaction  parameters  of  the  coupled  system.  The  methodology  is  tested  with  simulations  and  real  experiments  of  the  system  where  the  error  RMS  average  of the positioning task is 7. 91 mm, which is an acceptable  parameter for performance of the mobile manipulator.   www.intechopen.com

Keywords  Methodology,  Modelling,  Simulation,  Experimental  study,  Wheeled  mobile  manipulator,  Positioning 

  1. Introduction  Mobile  manipulators  exhibit  wide  versatility  in  the  handling  of  dangerous  devices,  such  as  the  explosive  ordinance  devices  (EOD)  used  by  the  world’s  armies.  Among  the  most  important  phases  in  the  mechatronic  design  of  mobile  manipulators  we  have  modelling  and  simulation,  because  upon  them  depends  the  proposed  control  for  its  correct  operation  and  the  fact  that  its  behaviour  will  be  verified  by  the  simulation  of  several  instances in order to obtain the parameters and ranks from  the mobile manipulator that is being developed.    

In  relation  to  the  modelling  of  mobile  manipulators,  the  work  of  Yamamoto,  Alicja  Mazur  and  Bayle  is  well  known.  Yamamoto  is  the  most  cited,  with  his  paper  on  the  locomotion  coordination  of  mobile  manipulators,  published in 2004. Alicja Mazur and Bayle are the authors  that have written most in relation to this topic. Since 1976, 

Int J Adv Robotic 2012, Vol. 9, 192:2012 Luis Adrian Zuñiga Aviles, Jesus Carlos Pedraza Ortega and Sy, Efren Gorrostieta Hurtado: Experimental Study of the Methodology for the Modelling and Simulation of Mobile Manipulators

1

there are reco ords of workss related to thee programmin ng of  teleoperated  mobile  manipulators  [1];  moreover,  m in 1988  [2]  and  1996  [3‐4],  the  dyn namics  of  mo obile  manipulaators  in  the  operaational  case  of  o the  openin ng  of  a  door  was  proposed;  however,  h the  manipulator  and  the  mo obile  platform  weere  considereed  and  anaalysed  separaately.  Besides  thiss,  from  1994  to  2008,  so ome  works  were  w published  on  mobile  manipulatorrs  with  pllanar  manipulatorss  but  withoutt  considering  the  load  or  other  o operational  cases;  they  were  w focused  only  on  con ntrol,  kinematic  redundancy,  tracking  trajectories  and  manipulabiliity [5, 18, 26, 29].     ators  o the  modelling  of  mo obile  manipula In  order  to  obtain  used  in  the  tasks  for  po ositioning  in  the  t handling  and  transport of eexplosive deviices, the preseent work consiiders  obile  the developm ment of a mod delling methodology for mo manipulatorss  by  applying g  the  mechattronic  design of  a  multi‐articulaated  wheeled d  mobile  manipulator  caalled  Robot  MMR R12‐EOD.  Unllike  the  otheers  methodolo ogies  presented in  previous worrks, it consideers the problem of  the  mechatronic  design,  the  coupled  full  system  and  kinematic  mo odelling  in  reeal  operations.  An  experimeental  study  of  thee  methodolog gy  capable  off  performing  this  positioning  in  real  operational  scenaarios  is  descrribed  throughout this paper.     The  rest  of  the  t paper  is  organized  o as  follows.  Sectiion  2  describes thee methodology y for the kinem matic modellin ng of  the  full  systeem  and  the  ex xperiments  in n  several  scenarios  of operation. Later, section n 3 presents th he results in w which  the basis of th he reference v values that weere obtained in n the  modelling  are  a presented d  with  the  errors  from  the  simulation an nd the real exp periment, com mparing them with  the  ideal  paarameters  an nd  both  errorrs.  This  worrk  is  discussed  and  a is  concluded  in  Secctions  4  and d  5,  respectively.   on Methodolo ogy  2. Modelling and Simulatio y  for  This  section  presents  thee  modelling  methodology wheeled  mobile  manipulaators,  describ bing  the  plann ning,  developmentt  and  experim mentation.  Itt  is  organized d  as  follows:  prelliminary  anallysis,  master  map,  diagram m  of  position  and d  orientation,,  homogenou us  transformaation  graph,  kineematic  schem mes  of  opeeration  scenaarios,  kinematic  in nteractions,  fo orward  and  inverse  kinem matic,  constraints,  dynamic  parrameters,  con nsolidation  off  the  dynamic  equ uation,  real  ex xperimentation n  and  positio oning  simulation.   2. 1 Preliminaary analysis  The  robot  MMR12‐EOD  M i considered  by  being  able  to  is  move on a su urface by the  action of its w wheels mounteed in  nd  touching  the  surface.  The  wheelss  are  the  robot  an mounted  on n  devices  th hat  allow  reelative  movem ment  between  its  attached  poiint  (point  of  guidance)  an nd  a  2

Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 192:2012

must have a u unique rolling g  surfface (the floor), at which it m conttact  [6‐7].  It  is  assumed  th hat  the  robot  is  being  builtt  with h  rigid  mechaanisms,  that  tthere  is  an  lin nk  guided  by y  everry wheel, thatt all the axes g guided are perrpendicular to o  the  floor,  that  the  surface  of  tthe  motion  is  a  plane,  and d  thatt  there  is  no  sliding  s with  th he  rolling  surrface  and  thatt  the  friction  is  sufficiently  smaall  to  allow  th he  rotation  off  any  wheel  about  the  guided  aaxis  [8‐10].  Slid ding  with  thee  surfface  is  the  biiggest  problem m  during  thee  moment  off  esta ablishing  a  lo ocation  with  high  accura acy.  Figure  1  1 show ws  that  the  mobile  platfo orm  has  4‐D DOF,  that  thee  man nipulator  has  4‐DOF  and  that  the  addeed  subsystem m  does too.  

Figu ure 1. Robot MM MR12‐EOD 

The average veloccity of the rob bot MMR12‐EO OD is 0. 5 m/ss  d  to  support  a  load  of  10  kg  at  its  end d  and  it  is  required effector. These features, as welll as the critical parameterss  a used  as  a  a and  the  kind  of  system  (non‐‐holonomic)  are  orm the masteer map.   basee in order to fo 2. 2 Master map  The master map iis a diagram th hat shows the developmentt  of  th he  mathematiical  model,  in n  which  is  rep presented  thee  subssystems  and  homogenou us  transforma ations  of  thee  mob bile manipulator. Described d first are both h the externall  and  internal  consstraints,  being g  those  extern nal  constraintss  whiich are related d to the operatting environm ment. As such,,  nsidered  as  th he  localizatio on  of  its  locall  the  terrain  is  con h  respect  to  global  coorrdinates.  Thee  coorrdinates  with internal constrain nts are determ mined accordin ng to the non‐‐ holo onomy  of  th he  mobile  p platform.  Afterwards,  thee  scheeme with the n nomenclature M‐MMR (add ding the otherr  subssystem) is classified, wheree M is the man nipulator and d  MM MR  is  the  mobile  m to  wh hich  is  addeed  the  otherr  subssystem, like th he lifting arm ms or any subssystem. In thee  casee  where  the  additional  su ubsystem  is  a  a manipulatorr  (opeerating cooperratively and lo ocated in the ssame origin ass  thatt  of  the  principal  manipulaator),  then  the  homogenouss  tran nsformations o of this subsysttem will relatee to the origin n  coorrdinate  “0”  rather  r than  b being  related  to  the  locall  coorrdinate “C”. T The master maap has the sta ages related to o  the  subsystems fo or the mobile  manipulator  MMR12‐EOD D  in  relation  r to  thee  tasks  of  orientation,  app proaching  and d  man nipulation; in  this case, the  mobile manip pulator has an n  add ded subsystem m formed by tw wo coupled lifting arms (B..  A. ) at which are considered th he lifting and cclimbing taskss  www.intechopen.com

[11‐14].  In  order  to  model  the  robot  MMR12‐EOD,  seven  stages in five real operation scenarios are considered [7],  at  which  the  assessed  behaviour  of  the  full  system  with  and  without  load  is  considered.  For  the  robot  in  the  present work, the stages are:    a) The additional subsystem is considered in the neutral  position  and  in  operation  with  respect  to  the  local  coordinate  “C”.  This  subsystem  is  called  “A”.  This  stage is omitted if the manipulator has no additional  subsystem.    b) The  manipulator  uses  just  its  degrees  of  freedom  to  perform  tracking  trajectories  tests  in  relation  to  the  coordinate “0”, which is the base of the manipulator.   c) The  mobile  platform  is  moved  forward  with  the  manipulator  mounted  and  performing  a  tracking  trajectory  test  from  the  coordinate  “C”  to  the  global  coordinate “G4”.   d) Considering  the  coupled  system  without  allowing  the advance of the mobile platform, the manipulator  realizes  the  test  of  the  tracking  trajectory,  assuming  that  the  mobile  platform  rotates  about  its  axis  with  respect to the local coordinate “C”.   e) The  mobile  platform  is  moved  forward  with  the  manipulator  coupled  while  performing  a  tracking  trajectory  test  from  the  coordinate  “C”  with  respect  to the global coordinate “G4”.   f) The  coupled  system  is  moved  in  a  straight  line,  moving its manipulator in relation to the end effector  with respect to “G4”.   g) The  coupled  system  is  subjected  to  the  tests  for  tracking  the  trajectory  in  relation  to  the  end  effector  with respect to the coordinate “G4”.  

constitute  the  mobile  manipulator  plus  the  added  subsystem.  This  graph  is  an  extension  of  the  graph  for  obtaining the kinematics of the manipulators proposed by  Robert  Pauli,  in  1983  [15],  and  used  in  several  works  by  Tadeusz  Skodny  [16,  30]  in  order  to  perform  the  same  applications.  The  extension  of  Pauli’s  graph  allows  us  to  get  the  homogenous  transformation  graph  and  the  kinematic  modelling  of  wheeled  mobile  manipulators  with any additional subsystem. These transformations are  the central part of the methodology because they provide  the relations with the coordinates “0” of manipulator and  “C” of the mobile platform, as well as the transformations  of the wheels and the lifting arms in relation to “C” and  “C”  with  respect  to  “G4”,  as  shown  in  figure  3.  Afterwards,  coordinates  systems  to  the  selected  points  that  allow  us  to  obtain  the  coupled  kinematic  modelling  of full system are assigned.  

2. 3 Diagram of the position and orientation  The general description for the orientation and position of  the  system  is  described  by  the  fourth  transformation  of  the  global  coordinates  with  respect  to  GG,  as  shown  in  figure 2.  

  Figure 3. HTG for mobile manipulators 

2. 5 Schemes for the kinematics of the operation scenarios  In order to realize the schemes for the kinematics of five  real operational scenarios of the MMR12‐EOD robot, it is  necessary to consider its design parameters.   2. 6 Interaction kinematics 

  Figure 2. Fourth Transformation of the global coordinates with  respect to the global coordinates 

2. 4 Homogeneous transformation graph (HTG)  The  third  step  of  the  proposed  methodology  is  the  homogenous  transformation  graph  that,  in  a  modular  way,  allows  the  organization  of  the  subsystems  that  www.intechopen.com

Table  2  presents  the  parameters  of  the  interaction  kinematics obtained from the coupling of the subsystems  of the robot MMR12‐EOD.   2. 7 Forward and inverse kinematics  2. 7. 1 Forward kinematics  Based on the homogenous transformation graph and the  table  of  the  kinematic  interactions,  we  develop  the  forward kinematics, starting with the coordinate “C”, and  from here describe the transformations of the wheels, the 

Luis Adrian Zuñiga Aviles, Jesus Carlos Pedraza Ortega and Efren Gorrostieta Hurtado: Experimental Study of the Methodology for the Modelling and Simulation of Mobile Manipulators

3

lift  arms  an nd  the  maniipulator,  conssidering  the  end  effector “E” w with the load “Eμ”, as show wn in figures 44 and  6 [17, 28‐30].  

  Figure 4. Laterral view of the M MMR12‐EOD in n the lifting posiition 

a) Mobile plaatform    The  homogenous  transforrmation  of  thee  mobile  platfform  ��� ��� ���

is  given  by y  AC � �xG yG zG � xC yC zC �,  where  the 

parameters  are:  AC : xC� � var, yC� � var, zC � var � λC� � ∆λC , zC� � λC�� � const � 0,, θC� � var, lCS�� � const � 0,, � � var.  The  incrrement  of    λC   depends  up pon  the  follow wing  relationship:   

lCS� SC� � λC� C �r ∆λC � �fo or lCS� SC� � λC� C � r � 0 , r � constant � 0    (1)  0 for anotheer case

Then the tran nsformation of the local coo ordinate, GTC � AC   and  the  tran nsformations  ffor  the  wheelss  of  the  right  side  d  GTL � AC AL are  and  the  leeft  side,  GTR � AC AR and obtained[29‐330].     ms   b) Lifting arm   mations of the  lifting arms aare developed  with  The transform respect to thee local coordin nate “C”. The  parameters fo or the  lifting arm off the right fron nt side are giveen by: ACS� : θCS� � C var, lCS� � const � 0.  Thereefore,  the  tran nsformation  off  first  obal  coordinatees  is  expresseed  as  arm  in  relatiion  to  the  glo GTCS� � AC AC� ACS� . In a similar way, th he relations fo or the  obtained.   second, third and fourth liffting arms are o   c) Manipulattor    ormations  of  its  4‐DOFs with  The  homogeenous  transfo respect to thee coordinate ““0” in relation n to the coordiinate  “C”  are  now  pressented.  Thee  homogen neous  on  from  “C”  to  “0”,  A� � �x � C yC zC � x� y� z� �,  transformatio on  the  follow depends  upo wing  parameters:  θ� � 0°, λ� � const � 0, l� � const � 0 α� � �0°.  Thee  transformaation  A� � �x� y� z� � x� y� z� �,  depends  d upo on  the  follow wing  The  parameters:  θ� � var, λ� � 0, l� � 0 α� � �0°.  on A� � �x� y� z� � x� y� z� �, depends upon n the  transformatio

4

Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 192:2012

owing  parameeters:  θ� � 0°°, λ� � var, l� � 0 α� � ��0°..  follo The  transformation  A� � �xx� y� z� � x� y� z� �  dependss  upo on  the  follow wing  parameeters:  θ� � vaar, λ� � 0, l� � consst � 0, α� � �0 0°  and  th he  transform mation  A� � �x� y� z� � x� y� z� �  � depends  upon  thee  following g  para ameters:: θ� � var, λ� � 0, l� � 0 α� � 0°.     The transformatio ons of the end d effector in rrelation to thee  fourrth degree of ffreedom of thee manipulatorr are given by y  E � �x� y� z� � x� y� z� �,  where  E � Trans�0, 0, λ� � and  itss  para ameters  aree E: θ� � 0°, λ� � const � 0, l� � 0 α� � 0°..  In  order  o to  obtain n  transformattions  that  con nnect  the  load d  with h  the  end  effector,  thesse  are  obtaiined  by  thee  relationship Eµ � Eµ_P Eµ_R ,  wh here  Eµ   is  th he  total  load,,  consstituted  by  Eµ_P hich  are  the  prismatic  p load d  µ   y  Eµ_R ,  wh and the rotationaal load, respecctively [18]. Th he parameterss  t prismatic  joint  are  as  follows: Eµ_P :  θ� � 0°, λ� � of  the  consst � 0, l� � 0 α� � 0°.  The  p parameter  of  the  rotationall  joint are as follow ws: Eµ_R : θ� � 0 0°, λ� � 0, l� � 0 α� � �0°.    oints  of  thee  Then,  the  transsformations  from  the  jo nipulator  are  multiplied  m nsformation  off  so   that  the  tran man the  manipulator  is  T� ,  u using  the  trigonometricc  plification  Cos�A � �� � CA CB � SA SB � CAB ,  . .  simp Sen�A � �� � CA SB � SA CB � SAAB is  obtaineed  by  thee  tran nsformation  from  f the  maanipulator  to o  the  globall  coorrdinates given n by GT� � AC CT� . The tran nsformation off  the  end  effector  with  the  loaad  is  determiined  by  Eµ � Eµ_P Eµ_R .  Finally,  we  obtain  the  homogeneous h s  tran nsformation  frrom  the  load  “X”  in  the  en nd  effector  in n  relation to the glo obal coordinattes described  by equation 22  [19].  



A � C 0

� � � 0

� � � 0

XM �GT� E Eµ= 

xC � CC �S� λ� � l� C�� � l� � � CC λ� S�� � CC λ� S�� yC � SC �S� λ� � l� C�� � l� � � SC λ� S�� � SC λ� S�� � zC� � ∆λC � λ� � λ� C�� � C� λ� � l� S�� � � λ� C�� 1

(2)) 

wheere:    � � S� SC � CC C�� C� , � � SC C�� C� � CC S� , � � S�� C� , � � CC S�� � , � � SC S�� , � � �C�� , � � CC C�� S� � C� SC , � � SC C�� � S� � C� CC , � � S�� S� .   matics  2. 7. 2 Inverse kinem

uations  that  connect  th he  Cartesian n  Herre,  the  equ coorrdinates  of  th he  task  space  in  relation n  to  the  jointt  para ameters  are  described  in  order  to  ca arry  the  end d  effector  from  thee  mobile  man nipulator  to  th he  mentioned d  Carttesian  coordiinates.  The  inverse  kineematics  weree  developed using the homogeneeous transform mations of thee  heme  for  forw ward  and  thee  equations  3  to  111  from  the  sch inveerse kinematiccs, which is rep presented by ffigure 5.  

www.intechopen.com

deteeterminant  of  J�   is|J� | � �1,  and  so  the  mobilee  man nipulator  has  good  manip pulability  acco ording  to  thee  mob bile  platform m  [27]  ‐  J�q� � �J� �q�, J� �q��.  � Finally,,  �� J�� �q q� � �J� �q�J� �q�.     The mobile platforrm must move  in  the  direction  ofits  axis  of  sym mmetry  with  respect  tothe  gro ound,  where ���� � , ��� , ��� �  are  thee  coordinates  o of  its  centre  of  ma ass and � is the heading angle  of  the  platform  measured  m from  �� �� �� [26].   The  other  two  cconstraints  are  thee rolling constraaints ‐ i. e., the  driiving  wheels  do  d not  slip  ‐  wh here  θ� , θ�   are  the  angular  dissplacements  of  the  right  and  leftt wheels, respecctively [26].  

  Figure 5. Schem me for the inverrse kinematics  ��

φ � tan�� ����                             (3) 

 

θ� � cos ��� �

       



��� ���� ���� ��� � ��� � �� �� ��

�Z � �� � �� C� � �� S�

λ� �

C�

�               (4) 

                       (5)  �

; � � tan�� ��� � ; K � 1�0 � �0 � �1; h � �S� � ;   (6)  �

E

� � 1�0 � K � q� ; r � �h� � d�� � �2hd� C�� � ;   (7)  ; d � cos �� �

 

��� �� � � ���� � � ���

�� � q�� � � s�n

 

� ; q�� � 1�0 � � � d1;    (8) 

�Z ��� ��C �

� ; q� � q�� � q�� �         (9) 

x� � d� �C� �λλ� S� � �� � �� C�� � � λ� S�� �       (10) 

 

y� � d� �S� �λλ� S� � �� � �� C�� � λ� S�� )       (11) 

 

2. 8 Constrain nts 

���

The differenttial kinematicss in relation to o ZG is develo oped  based  on  thee  non‐holonom my  constraintt  ‐  namely,  it  does  not  have  an  integrable  so olution  and  itt  represents  more  m DOFs  than  the  t controllab ble  DOFs  [20‐‐21]  in  relatio on  to  figure  6.  In  order  o to  obtaiin  the  relation ns  of  the  veloccities  from  the  sy ystem,  we  co onsidered  thaat  the  orientaation  angles  in  rellation  to  the  global  g coordin nates  are,  (xG , δG ),  (yG , φG )  and d  (zG , γG ),  asssuming  that  the  position  and  of the local refference in relaation to the gllobal  orientation o reference  is  constant  in  the  movement  of  the  robot  r of the  and θ�C� � 0, θ�CS� � 0. Tablle 1 shows thee constraints o equations [222‐25].    

 

q � �xC�

yC��

φC

�s�nφ cosφ φ �s�nφ J � ��cosφ 0 0

θ�

θ�

0 �b �1

zC�

0 r �

��

θC�

0 0 � �

��

θCS�

0 0 0 0 0 0

θ�

d�

θ�

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

θ� �T  (15)  0 0� 0

  (16) 

It is known th hat J�q�q� � 0 and that J�q� iis a square maatrix,  � �� � the  then:  J� � |J | �adj�J� ��T , �adj�J� ��T   because  �

www.intechopen.com

y� C� cosφ � x� C� s�nφ � 0 (12)

x� C� cosφ � y� C� s�nφ � φ�b � θ�� r      (13) φ� �



�� �

�θ�� � θ�� �(14) 

Tablle 1. Constraint equations to th he robot MMR12 2‐EOD 

2. 9 Dynamic param meters  m was  done  using g  Lagrange´ss  The  dynamic  model  com mputational  allgorithm,  bassed  on  the  homogeneouss  tran nsformations an nd the interacttions table [28 8]. We will usee  the  letter L to dep pict the steps. L L1 is described d every link in n  the iinteractions tab ble. On L2 is established the homogeneouss  tran nsformations in n the G. T. H. aand the forwa ard kinematics..  On L L3is developed d the matrix U U�� , L4 the matrrix U��� . On L55  is ob btained the pseeudo‐inertia m matrix for each llink and on L66  is  obtained  o the  matrix  m of  inerrtia  M�q� � �d d�� �.  On  L7  iss  deveeloped the term ms h��� , and in n L8 is obtained d the matrix off  the  Coriolis  and  the  centrifugee  V�q, q� � � �h h� �T .  On  L9  iss  ained  the  matrrix  of  gravity  G�q� � �c� �T .  As,  A we  obtain n  obta the d dynamic equattion 17 on L10..   M�q�q� � V�q, q� �q� � G�q� � ��q�τ � AT �q�λ      (17)) 

2. 10 0 Consolidation n of the dynamic equation.  

The two  column ns  from  S�q�  are  the  null  space  from m  dent. It presen nts q�  as linearr  A�q� and are linearly independ com mbination  of  two  colum mns  from  S�q�, q� � S�q�ν  ν Deriving  q� we  haave    q� � S�q�ν� �t�+S��q�ν�t�  and  a raplacing g  n equation 14 g gives as the result of equatio ons 21 and 22::  it in

 

d11 �� � M�q� M d121

… … …

�SSC ��C CC 0

0 0 �� �� c1 � � τ� h1 d112 1 0� � � �� � � q� � � � � q� � � � � � � 0 1 � � τ� c12 d1212 h12 �� �� � 0 0� CC 0 0 0 … 0 �SC �b r 0 … 0�                    (18) 0 b 0 r … 0

q� � M�q��� ���q�τ � AT �q�λ � V�q, q� �q� � G�q��     (19))  �SC S�q� � ��CC 0

CC �SC 0

0 0 0 … 0 � �b r 0 … 0�          (20))  b 0 r … 0

Luis Adrian Zuñiga Aviles, Jesus Carlos Pedraza Ortega and Efren Gorrostieta Hurtado: Experimental Study of the Methodology for the Modelling and Simulation of Mobile Manipulators

5

  S T �q� �M�q�S�q�ν� �t� � M�q�S��q�ν�t� � ��q, q� �q� � ��q�� �

 

�E�q�� � AT �q�λ�S T �q�                        (21) 

S q��M�q�S�q�ν� �t� � M�q�S��q�ν�t� � ��q, q� �q� � ��q��  T�

� �                                        (22) 

Is verified that M�q� complies with n=m (square), M T �q�=  M�q�  (symmetric).  It  is  not  singular  (det �M�q�� � 8. 0���e � 021 � 0 � ����M�q�T � � 8. 0���e � 021 � 0; d�� � 0. 21� � 0),  )  and  therefore  is  inverse.  M �� �q� �; M �� �q� � �M �� �q���� � 0.  It  is  also  positive  definite,  in  that  M�� �q� � 0  for  all  q  and  its  determinant�M�q�� � 0.   3. Real experiment and positioning simulation 

The  real  experiment  and  the  simulation  of  positioning  from  the  mobile  manipulator  is  done  according  to  the  5  real  operation  tasks.  In  order  to  realize  these  activities,  the  control  strategy  published  by  Yamamoto  was  used  [29]  in  the  paper  dedicated  to  the  control  and  coordination  of  movement  from  mobile  manipulators  in  T

2004.  Using  the  vector  in  the  state  space  x  qT  T  ,    we  can  represent  the  constraints  and  the  motion’s  equations from the mobile manipulator in the state space:    

 0 S   x      T                         (23)  1  f S MS ( )  2   

where  f2  (ST MS)1( ST MS  ST V ) .  This  equation  is  simplified in order to apply the following linear feedback:   ST MS(u  f2 ) .  Then,  it  could  assume  a  new  input  u ,  which  will  linearize  equation  23.  Considering  the  linearization, it could be used in the desired trajectory yd   in order to feedback the error  e  y d  y :   

d

d

d

 y  v   y  Kd ( y  y )  K p ( y  y)             (24) 

From  equation  24,  v is  obtained  and  then  u and,  therefore,  x . Finally, by integration, x can be obtained.     a)  Orientation  (stage  2,  task  1).  The  driving  wheels  are  located on the left side at the front and right side rear, the  alternate movement v� � �v�  allows the rotation about axis  z  in  the  reference  ratio  of  ø  1130  mm.  This  is  using  the  T transformation GTC � AC  and qM � �φC θ� θ� � . Therefore,  it is assumed that the movement is in the horizontal plane  [13], that the contact wheel is at one point, that the wheels  are not deformable, that there is pure rotation at the contact  point  v  =  0,  that  there  is  no  slippage,  and  that  the  axis  direction  is  orthogonal  to  the  surface.  The  wheels  are  connected by a rigid body (chassis).     b)  Approximation  /  trajectories  tracking  (stage  4,  task  2).  The system executes the tracking of the desired trajectory,  6

Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 192:2012

based  in  the  transformation  GTC � AC .  The  mobile  platform  is  moved  according  to  this  equation,  qMR � T

�xyzφC θ� θ� � .            c) Manipulation (stage 4, task 3). In the rank x=2. 5, y=2. 5  and z=1. 5 m, the kinematics is given by  XM �GT� E Eµ  by  T

the equation qM � �φC θ� d� θ� θ� � .     d) The lifting of the mobile manipulator in the rank from  0.  15  up  to  0.  52  m  based  on  the  transformation  GTC � AC , z  is  given  by  zC � var � λC� � ∆λC , zC� � λC� � constant � 0, θC� � var�a�le, lCS� � constant � 0, � � ��������, where the increment ∆λC  of z, depends upon the  lifting arms.     e) The lifting arms climb in the rank from 0. 15 up to 0. 47  m. The mobile manipulator with a mass m is moved on the  sloped surface at an angle ψ, with respect to the horizontal,  given  by  the  transformation CTCS� ,  and  the  equation  F������� � �g�senψ � µcosψ�,  where  g  is  gravity  when  θCS � �0�, λC � ��C � lCS� � senθCS �, in order to realize the  climbing task. λC is variable and depends upon θCS .   4. Results 

From the forward kinematics, the reference values for every  task were taken. The parameters of the coordinate local “C”  which  is  the  base  for  obtaining  the  reference  values  are  as  follows:  AC : xC� � 2, yC� � 2, zC � λC� � ∆λC , zC� � λC� � � � 0. 15, θC� � � , lCS� � 0. ��, φ � � , φ � 20�.   lCS� SC� � λC� � r for l   ∆λC � var�a�le � � CS� SC� � λC� � r � 0 , r � 0. 08 (25)  0 for another case

a)  Equation  26  is  the  transformation  of  the  mobile  platform rotating about its own axis:  1 �2. ���3e � 015   GTC � � 0 0

2. ���3e � 015 1 0 0

0 0 0 0 � (26)  1 0. 15 0 1

b)  Equation  27  is  the  transformation  of  the  platform  according  to  these  parameters:  xC � 2, yC � 2, λC� � � 0. 15, φC � � , θR � 2�, θL � �2�, � � 0. �, ∆λC � 0.    

0. 7071 0. 7071 GTC � AC � � 0 0

�0. 7071 0. 7071 0 0

0 2 0 2 �          (27)  1 0. 15 0 1

c)  Equation  28  is  the  transformation  of  the  manipulator  with  the  end  effector:   xC � 2, yC � 2, λC� � 0. 15, φC � � �

, λ� � 0. 1�, l� � 0. 33, θ� � �



�� �



, λ� � 1. �, θ� � � � , l� �

0. 15, θ� � � , θC� � � , lCS� � 0. ��, r � 0. 08, λ� � 0. 38, , λ� � 0. 25: 

www.intechopen.com

 

� 0. 7071 � XM �GT� E Eµ � � � 0. 7071 0 � � 0

0. 5000 0. 50 000 2. 8567� 0. 5000 0. 50 000 2. 8567� � �0. 7071 0. 70 071 1. 3305� 0 0 1 �

(28) 

d)  Equation  29  is  the  tran nsformation  att  the  time  thaat  the  � platform is liifting: xC � 0, yC � 0, θC� � :  �  

0. 7071 0. 7071 GTC � AC � � 0 0

�0. 7071 0. 7071 0 0

0 0 0 0 �       (29)  1 0. 5200 0 1

e)  Equation  30  is  the  traansformation  correspondin ng  to  � climbing: xC � 0, yC � 0, �C� � 0. 15, � � , θ � C C C� � � �

 



, θCS� � � � , � � 0. 35, �CS � 0. 33, �CS� � 0. 44, � � 0. 10.   1 GTCSS�

0. 7071 0. 7071 �� 0 0

0 0 �1 0

�0. 707 71 0 0. 7071 0 �        (30)  0 0. 47 0 1

Taking  the  reference  r valu ues,  several  simulations  s u using  equation 30 ffor the real operational scen narios were carrried  out,  where  the  errors  and  a performaance  index  were  w obtained, as sshown in tablees 2 and 3.     Trackin ng  trajectory aabout  its geomeetric  centre..  

Trackin ng  trajectory o of the  sinusoidal ccurve.  

In  table  4,  the  reesults  of  real  experiments  in  i the  mobilee  nipulator  are  shown,  focussing  on  the  maximum  m and d  man min nimum errors aaccording to the reference v values.     30 0 samples  Deviatio ons  1.. In the test forr  E Errror min.   Error max.   orientation th he next  440 mm  80 mm.   errors were taken:  2.. Approaching g  Errror min.   Error max.   E (trajectories  00. 5 mm  8 mm.   tracking).   1.. Manipulation n  E Errror min.   Error max.   8 mm.   (positioning)).   00. 5 mm  Errror min.   Error max.   E 2.. Lifting.   4 mm  6 mm.   Errror min.   Error max.   E 3.. Climbing.   44. 6 mm  8 mm.   Tablle 4. Real experiiments for the m manipulation, liffting and  clim mbing tasks.  

In  figure  f 6,  we  see  the  mob bile  manipula ator  in  a  reall  expeeriment appro oaching and p positioning thee end effectorr  in th he target.  

T Sampling  time:  �� � 200 �.  The  referen nce  C  is  lo ocated  on  theese  coordinates:  � ������� � � 0  � ������� � � 0  Mean eerror of 40 mm..   �� � 200 2 �. The refereence  is  located  on  these ccurves:  � ������� � 30 ��� �0. 25 ��  � �������� � 40 ��� �0. � 25 �� � 2. 5 � 

Mean eerror of 2. 37 mm m.  

Table 2. Tasks for orientation and the trackin ng trajectory 

Figu ure 6. Mobile maanipulator in a rreal experimentt 

5. D Discussion 

Mean error of 0. 050 mm m  in the man nipulation task k.  

Mean errror of 0. 020 m mm  in thee lifting task. 

Mean eerror of 0. 040 mm in the cliimbing task.  Table 3. Tasks for manipulatio on, lifting and cclimbing  www.intechopen.com

The  real  experimeent  was  carrieed  out  on  the  floor  inside  a  a oratory,  which h  helped  in  the  measureement  of  thee  labo registered  parameeters;  howeveer,  measuremeents  in  rough h  grou und  were  not  taken  due  to  a  lack  of  adeq quate  methodss  and instrumentatio on for the corrresponding meeasurements off  its  parameters.  The  T comparisson  of  the  errors  e of  thee  simu ulations and th he real experim ments of the 5 eevaluated taskss  are p presented in taable 5. As man ny as 30 samplles were taken n  for eeach task, whicch validates thee kinematic mo odelling.     able  6  is  show wn  the  differeences  in  errorss  between  thee  In  ta simu ulation  and  th he  real  experriments  of  thee  5  evaluated d  task ks. The figuress are described d in the Gausssian bell form,,  with h  the  resultss  of  the  sim mulation  in  blue  b and  thee  expeeriment  in  red d,  including  tthe  mean  and d  the  R.  M.  S  S erro or.  

Luis Adrian Zuñiga Aviles, Jesus Carlos Pedraza Ortega and Efren Gorrostieta Hurtado: Experimental Study of the Methodology for the Modelling and Simulation of Mobile Manipulators

7

Task 

Performance [[mm]  Simulation (����  y RMS)  40 and 40. 1161  

Orientation.  

Reall system (��  y RMS)  60 an nd 60. 0922 

Error due to the wheel slip pping on the floorr.   2. 37 and 2. 376 

Approaching.  

6. 5 aand 6. 5236 

The orientation eerror is very laarge due to w wheel slippagee  t ground,  as  a well  as  thee  tracking  of  the  trajectory y  on  the  wheere  the  trajecttory  is  a  poin nt  referenced  by  the  masss  centtre  of  the  mo obile  manipu ulator;  the  afo orementioned d  variiations  are  du ue  to  the  comp pensation  of  the  t control  off  the  non‐holonom my  of  the  system  caused  by  the  non‐‐ ons of the wheeels.   integrable solutio

The 2 teests were perform med at 0. 5 m /s.  0. 050  and 00. 051 

Manipulatio on. 

4. 255 mm and 4. 250002 

This is due to slip of wheeels on the floor.  0. 020  and 00.  02144 

Lifting.  

5  an nd 5. 037658  

Due to adju ustment and weig ght of system.  0. 040 and 00.  040743  

Climbing.  

6. 3 aand 6. 30918  

This is due tto the deformation n of the rear wheels  and its adjusstment, in addition n to its weight.  8. 497 

8. 5299 

166. 41 

With lo oad  The  mass  centre  varies in � 660.  

16. 4447 

The  mass centre variies  in � 40.  

The g greatest variation n occurs in Z.  

Dynamic  analysis  with  software  CAE 

The stress d due to a  load of 14 k kpa.  

The  stress  due  to  a  load d of 7 kpa. 

The  deforrmation  ofλ� is 1. 0555.  

The  deformation  of  λ�   is 0. 03.  

It was valid dated to the fullesst extension and in  the normal state of the prism matic joint.   According  too  the manual of  explosives,  e deactiivation [24] must  be  considered witth a maxim um haandling error of 10 mm.  

Table 5. Simullation and real eexperiments for the tasks.   Comparisson of the simulation and the rreal experimentt Tasks 

Difference

1. Orientation.   2. Approach hing.  

RM MS 

19. 94 mm

e�

4. 12 mm m

�� 

RMS 

6.. 26 mm 

20 mm m

RM MS

4. 147 mm m

RM MS

4. 19 mm m

RM MS

5. 01 mm m

e�

4. Lifting.  

5. Climbing.  

e� 

e�

3. Handling g.  

4. 2 mm m

4. 98 mm m

6.. 28 mm 

Table 6. Errorss between the siimulation and th he real experim ment.  

8

Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 192:2012

 

Without load 

Figu ure 7. Error simu ulation against tthe error of the real  expeeriment for the m manipulation taask 

6. C Conclusion  A  methodology  for  the  po ositioning  off  the  multi‐‐ articculated  mob bile  manipulator  by  meeans  of  thee  development of aa kinematical m model is defin ned, explained d  here the use o of a novel scheeme to devisee  and assessed, wh us  transformaations  achieves  the  given n  the  homogeneou ucture  for  the  forward  kineematics.  The  methodology y  stru has the following g advantages: ((1) it providess a big picturee  t modelling g  for  mechatronic  design  when  it  develops  the  manipulator; (2 2) it simplifiess  and simulation off the mobile m ous transform mation when itt  the estimation of the homogeno r (3)  it  allows  tthe  determination  of  thee  is  required;  para ameters of inteeraction when n it is necessarry to make thee  scheemes  in  a  cou upled  way;  (44)  it  is  easy  for  kinematicc  mod delling when  any added su ubsystem is in ncorporated in n  the  analysis of th he performancce index based d on the errorr  he real operatiional scenario os:  of th   have an averaage error RMS S of 3. 47 mm m  The simulations h h  regard  to  the  referencees  values,  while  w the  reall  with expeerimentationss  have  an  erro or  RMS  of  7.  91  9 mm.  Thesee  are  permissible  errors  e in  relatiion  to  the  errror  of  10  mm,,  whiich  is  specifieed  in  the  task ks  for  the  deeactivation  off  expllosives  [30].  The  maxiim  deformattion  of  thee  man nipulator with h a load of 10 k kg was 1 mm.     ntages  of  this  proposal  in n  comparison n  The major  advan h  previous  work  are  cconsidered,  such  s as  thee  with conttributions of tthis paper: thee developmentt of kinematicc  mod delling  in  a  coupled  waay  for  a  wheeled  mobilee  www.intechopen.com

manipulator with 12‐DOF, the extension of homogeneous  transformation graphs which organize in a modular way  the  transformations  of  every  link  so  as  to  obtain  the  kinematics of the mobile manipulators and the proposed  methodology  formodelling  the  positioning  in  real  operational scenarios.     As to future work, by means of a visual feedback system,  will  be  determined  the  position  of  the  explosive  device  incorporating a vision system to detect the coordinates of  targets, placing some sensors at the end effector for use in  different  kinds  of  manipulation  based  in  the  deviceʹs  form,  and  finally  implementing  the  proposed  modelling  methodology  in  the  design  of  mobile  systems  with  different manipulators.   7. Acknowledgements  The  authors  would  like  to  acknowledge  the  Centro  de  Ingeniería  y  Desarrollo  Industrial  (CIDESI)  [30]  for  funding this work.   8. References  [1]  Zúñiga  L.  Diseño  de  un  Effector  Final  para  Manipulación  de  Artefactos Explosivos.  Engeeniring  Thesis,  Engineers  Military  School  from  Mexican  Army, 2003.   [2]  Krus  P.  Distributed  Techniques  for  Modelling  and  Simulation  of  Engineering  Systems.  Technical  Report,  Department  of  Mechanical  Engineering  Linköping University, Linköping, Sweden, 2000.   [3] Korayem M. H., Banirostam T. Design, Modeling and  Experimental  Analysis  of  Wheeled  Mobile  Robots.  3rd  IFAC  Symposium  on  Mechatronic  Systems,  2/a.  ed. Vol. 12, September 2004: 821‐228.   [4]  Li  Li,  Fei‐Yue  W.  Advanced  Motion  Control  and  Sensing for Intelligent Vehicles. Springer, University  of Arizona, U. S. A., 2007; ISBN: 0‐387‐44407‐6.   [5]  BirtaG.,  Louis  A.  G.  Modelling  and  Simulation  Exploring  Dynamic  System  Behaviour.  Springer‐ Verlag, London, U. K., 2007; ISBN‐10: 1‐84628‐621‐2.   [6]  Josephs  H.,  Huston  R.  Dynamics  of  Mechanical  Systems. CRC Press LLC. U. S. A., 2004.   [7]  Bayle  B.,  Fourquet  J.  Y.,  Renaud  M.  Nonholonomic  Mobile  Manipulators:  Kinematics,  Velocities  and  Redundancies.  Journal  of  Intelligent  and  Robotic  Systems, Vol. 36, January 2003.   [8]  Yamamoto  Y.,  Yun  X.  Coordinating  Locomotion  and  Manipulation  of  a  Mobile  Manipulator.  IEEE  Transactions on Automatic Control, 6th. Ed., Vol. 39,  June 1994.   [9]  Paul  R.  P.  Robot  Manipulators:  mathematics,  programming and control. MIT Press, Massachusetts,  1981; ISBN: 0‐262‐16082.   [10]  Skodny  T.  Forward  and  Inverse  kinematics  of  IRb‐6  Manipulator.  Mach.  Theory,  Pergamon  Press,  London, 1995; 30(7): 1039‐1056.  

www.intechopen.com

[11]  Pavlov  V.,  Timofeyev  A.  Construction  and  stabilization of programmed movements of a mobile  robot‐manipulator.  Engineering  Cybernetics,  1976;  14(6):70–79.   [12] Dubowsky S., Tanner A. B. A study of the dynamics  and  control  of  mobile  manipulators  subjected  to  vehicle  disturbances.  In  Robotics  research:  4th  International Symposium, 1988: 111–117.   [13]  Arai  T.  Robots  with  integrated  locomotion  and  manipulation  and  their  future.  IROS,  Osaka,  Japan,  November 1996: 541–545.   [14]  Ghaffari  A.,  Meghdari  A.,  Naderi  D.,  Eslami  S.  Stability  enhancement  of  mobile  manipulators  via  soft  computing.  International  Journal  of  Advanced  Robotic Systems. 2004; 3(3): 191‐198.   [15] Aviles J. A. Z., Pedraza J. C., Gorrostieta E., García‐V  L. H. Development of a Mechatronic Unit applied to  the  Manipulation  of  Explosives.  International  Conference  on  Electrical  Engineering,  Computing  Science  and  Automatic  Control,  CCE,  2008;  ISBN:  978‐1‐4244‐2499‐3.   [16] ZúñigaL. A., PedrazaJ. C., Gorrostieta E., Ramos J. M.  Analysis  of  Dynamic  Behavior  of  an  EOD  Mechatronic  Unit.  International  Conference  on  Electronics,  Robotics  and  Automotive  Mechanics  Conference, CERMA, 2009.   [17]  Choset  H.,  Lynch  K.  M.,  Hutchinson  S.,  Kantor  G.,  Burgard  W.,  Kavraki  L.  E.,  Thrun  S.  Principles  of  Robot  Motion:  Theory,  Algorithms,  and  Implementation.  MIT  Press,  USA,  2005;  ISBN:  1098765432.   [18] Bayle B., Fourquet J. Y., Renaud M. Manipulability of  Wheeled  Mobile  Manipulators:  Application  to  Motion Generation. International Journal of Robotics  Research, 2003; 22(708): 565‐ 581.   [19]  Velinsky  S.  A.,  Gardner  J.  F.  Kinematics  of  mobile  manipulators and implications for design. Journal of  Robotics Systems, 2000: 309‐320.   [20] Tang C. P., Bhatt R. M., Abou‐Samah M., Krovi V. A  Screw‐Theoretic  Analysis  Framework  for  Payload  Transport  by  Mobile  Manipulator  Collectives.  IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2006: 169‐ 178.   [21] Tan J., Xi N., Wang Y. Integrated Task Planning and  Control for Mobile Manipulators. Proc. International  Journal of Robotics Research, 2003: 337‐354.   [22]  Roth  B.  “Advances  in  Robot  Kinematics”.  Springer,  Stanford University, U. S. A., 2006.   [23]  Goris  K.  Autonomous  Mobile  Robot  Mechanical  Design. VrijeUniversiteitBrussel, Engineering Degree  Thesis, Brussels, Belgium, 2005.   [24] Dimitrios S. A. Analytical Configuration of Wheeled  Robotic  Locomotion.  Carnegie  Mellon  University,  Doctoral Thesis, U. S. A., 2001.   [25] Zuñiga L. A., PedrazaJ. C. , Gorrostieta E., García L.,  Ramos J. M., Herrera R. Modeling and Simulation of  a  Mechatronic  Unit  EOD/IEDD.  International 

Luis Adrian Zuñiga Aviles, Jesus Carlos Pedraza Ortega and Efren Gorrostieta Hurtado: Experimental Study of the Methodology for the Modelling and Simulation of Mobile Manipulators

9

Conference  on  Methods  and  Models  in  Automation  and Robotics, 2009.   [26] Fruchard M., Morin P., Samson C. A Framework for  the  Control  of  Nonholonomic  Mobile  Manipulators.  International  Journal  of  Robotics  Research,  2006;  25(8): 745‐780.   [27]  Mazur  A.,  Szakiel  D.  On  Path  Following  Control  of  Nonholonomic  Mobile  Manipulators.  Int.  J.  Appl.  Math. Comput. Sci. 2009; 19(4): 561‐574.   [28]  Kelly,  R.,  Santibáñez,  V.  Control  de  Movimiento  de  Robots  Manipuladores.  Editorial  Prentice  Hall,  edición 2003; ISBN: 84‐205‐3831‐0.  

[29]  Zúñiga  L.  A.,  PedrazaJ.  C.  ,  Gorrostieta  E.,  Ramos  J.  M.  New  approach  to  Modeling  and  Simulation  Methodology  for  the  Mechatronic  Design  of  IEDD‐ Unmanned  Wheeled  Mobile  Manipulator.  International  Conference  on  Electronics,  Robotics  and  Automotive  Mechanics  Conference,  CERMA,  México, D. F., 2010.   [30] Zúñiga L. A., Skodny T., PedrazaJ. C. , Gorrostieta E.  Systematic Analysis of an IEDD Unit based in a New  Methodology  for  Modeling  and  Simulation.  Journal  of Advanced Robotics, INTECH, Austria, 2010; 7: 93‐ 100.    

 

10 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 192:2012

www.intechopen.com