Dissertation: a work Piece bases Approach for Programming Cooperating Industrial Robots

Figure 4.3: Conceptual framework for implementing the work-piece based approach
52

---

5 Control Architecture
The alteration of motion is ever proportional to
the motive force impressed; and is made in the
direction of the right line in which that force is
impressed.
Mathematical Principles of Natural Philosophy
Isaac Newton
5.1 Overview
In this chapter the control module of the framework will be realized in the form of an
encompassing control architecture. This architecture spans not only the control module
but also its interaction with the software module to enforce the WPBA. Based on previous
research in the field of cooperative manipulation and in order to gain valuable insight into
the control problem, it is imperative to synthesize it into two separate, but nevertheless
mutually exclusive sets of problems. The first addresses the interaction of a robot with
its environment i.e. transition from the state of free movement to the state of contact
and how this contact could be controlled (discussed in section 5.3). While the second
problem addresses the control of cooperating manipulators working in tandem and how
their interaction with each other and with the environment is controlled (discussed in
section 5.5).
5.1.1 Basic definitions
Although controlling manipulators was one of the very first problems that caught re-
searchers’ attention with the advent of modern robots, research in this field continues
uninterrupted to this day. The complex nature of that robotic behavior aspired to with
state-of-the-art manipulators makes the underlying control architecture all the more so
important. Consequently, high-level automation and artificial intelligence techniques
hoping to mimic complex human behavior are rendered useless unless accompanied by ad-
equate control algorithms. Those algorithms make sure the required behavior is translated
into motion instructions, which the robot dynamics are capable of executing (Georgia
Institute of Technology et al. 2009, P. 44). This led to di
fferent interpretations of control
architectures and their constituent parts. Thereby, to avoid confusion relating to the terms
in this chapter, the following definitions for all control-related entities and activities are
introduced:

---

5 Control Architecture
Control Laws
Control laws describe the unique relationship between an input and an output
signal defined in the frequency domain or the time domain as a transfer function
1
.
This definition also includes multi-variable control relationships described by
the state space representation (Dorf & Bishop 2007, P. 632).
Control Structures
Control structures are built with di
fferent components to achieve a certain control
functionality through a dedicated routing of signals in a system. Consequently,
the structures usually overlap irrespective of their content, thereby several blocks
could build more than one control structure according to the routing.
Control Loops
Control loops describe the arrangement of control structures
/components w.r.t.
each other and according to the location of execution. Hence a loop could be
characterized as centralized or decentralized if an operation takes place in a
central or a distributed fashion respectively (Khatib et al. 1996a).
Control Modes
Control modes are digital
2
(ON
/OFF) signals which are mainly used to en-
able
/trigger specific control structures or any other assistance algorithms. They
could be in a sense considered as enablers of discrete automation i.e. pro-
grammable logic controllers (Weck & Brecher 2006, P. 81).
Control Layers
Control layers are di
fferentiated by their varying bandwidth. Each layer is
essentially executed with a unique sample rate or within a specific bandwidth
3
.
The layers could contain any number of control entities sampled at the same rate.
It allows to organize those entities not in a functional manner but from an aspect
of implementation (Yin et al. 1997).
Control Architecture
The sum of all components that involve decision making, control activities
and control entities within a system built in a hierarchical manner. One may
consider the hierarchies as organizational building blocks orthogonal to the
aforementioned control entities. The topmost hierarchy describes the control
layers. The second is the operation modes which trigger other control structures.
The third and most basic block is the control law. An architecture can also be
regarded as composed of several layers, which may contain overlapping control
1
Whether it is a continuous-time signal (s) or a discrete-time signal (z)
2
Also termed binary or boolean signals.
3
A bandwidth is characterized by an upper and lower sample rate limit.
54

---

5.1 Overview
structures triggered by operation modes. It is mainly characterized by a multi-
rate nature as seen in Figure 5.1, allowing it to be mapped to varying bandwidth
(Gueaieb et al. 2007b).