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

Figure 8.5: Force amplitudes with and without sensor-based adaptation of o
ff-line
programming
1
without gravitational forces
120

---

8.2 Experimental validation
8.2.3 Autonomous assembly
8.2.3.1 Overview
Assembly has been one of two main application domains for interaction research in
robotics, the other being machining (refer to section 2.3.5). Several researchers developed
control approaches and experimental test-rigs to investigate assembly with CIR. Despite
early experiments in the field of high-level cooperative manipulation (Schneider & Cannon
1993)(Schneider & Cannon 1992), most subsequent research concentrated on planning
methods and validity of control schemes for dual-arm robots (Nof & Rajan 1993)(Sur-
dilovic et al
. 2001). Furthermore the programming aspect in most research e
fforts was
largely ignored. In this section, assembly of a peg-in-hole task will be investigated given
its representative status for a wide range of assembly tasks. The method used here is
based on the work done by (Newman et al. 2001)(Newman & Wei 2002) albeit for single
robotic manipulators. By extending their work in the context of the WPBA, assembly with
CIR could be readily achieved. Di
fferent process phases are mapped into states which
are subsequently realized as a state-based controller. Internally, the states are time-based
components which are triggered according to predefined conditions. A common condition
would be for instance one that forces in specific directions to reach certain thresholds.
Another condition would be that a trajectory has finished execution. In a control sense this
corresponds to the high-level control layer and the intelligent layer discussed in section
5.6. Thus the state-controller replaces the human programmer as the intelligent entity
responsible for decision making based on the given task requirements.
8.2.3.2 Programming procedure
The four states required for an autonomous assembly task are described as follows:
1. Inclination: Position control is switched on to record the absolute inclination of
the work-piece relative to the mounting surface. If the two surfaces are nearly
parallel, an artificial inclination is executed. This is deemed necessary to prevent
the tip of the work-piece from making large area contact with the surface resulting
in intangible forces for the controller.
2. Surface detection: To force the robots to move in a downward movement, the
reference force superimposed on the impedance controller is set to an arbitrary
value in the negative z-direction (refer to section 5.3). This forces the robot to move
in a downward movement until resistance is encountered i.e. the mounting surface
is found. Hereby the surface position is recorded as a reference and passed to the
next states. Consequently, these conditions trigger the next state.
3. Hole search: A spiral search function is utilized to search for the hole (Guldner
et al
. 2003). To guarantee that the work-piece stays in contact with the mounting
surface at all times, the reference force utilized in the latter state is kept on, albeit
121

---

8 Assessment
with a reduced value. It simulates a downward pull on the work-piece w.r.t. the
surface and thus maintains the contact between them while guaranteeing a stable
contact behavior. The condition for ending this state depends on the di
fference
between the actual work-piece position and the reference surface position. Once the
peg sinks into the hole this di
fference exceeds a certain limit and triggers the next
state.
4. Insertion: This state starts by changing the impedance parameters into pure damp-
ing while simultaneously executing a reverse inclination using the value from the
first state. Two conditions can be used in tandem to terminate this state and with it
the whole task. The first depends on a reverse force when the peg hits the bottom of
the hole. While the second depends on the length of insertion if defined in advance.
During each state, the interaction controller is fully parameterized in all directions. This
amounts to 18 parameters for the impedance controller and 6 parameters for the force
controller (refer to section 5.3). Jumping between states entails fulfilling the trigger
conditions between the states and therefore changing the interaction parameters through
the mechanism discussed in section 6.4.3.
8.2.3.3 Experiments
The latter procedure was executed using 5 di
fferent initial positions (Figure 8.6). In 4 out
of 5 runs the task was successfully completed while for the remainder, the hole was not
found. This however was attributed to the fact that the search algorithm i.e. the spiral
trajectory, is valid only for a definite range of initial positions. Hence, the search result
is a function of both the search parameters and the initial position. Another observation
was the time of successful completion. Naturally, the farther away the initial position was
w.r.t. the hole position the longer it took to successfully complete the task as shown in
the correlation between distance and time in Table 8.2. This is also directly related to
the number of spiral turns required to find the hole. Given the reduced bandwidth of the
control loop due to its dependence on positional interface on industrial robots, the velocity
during all phases was reduced. This, in turn, contributed to the prolonged time needed for
each trial.
Run
Time [sec]
Distance [mm]
Spiral turns
1
34.5
79.5
5.5
2
28.4
55.8
4.5
3
25.1
41.3
3.5
4
21.5
29.8
2.5