Comparative study of visual servoing techniques based on image and position for robotic manipulators

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Departamento de Engenharia Mecânica, 2011.Este trabalho apresenta o desenvolvimento de duas metodologias de controle visual para manipuladores robóticos; a primeira, denominada Controle Servo Visual Baseado em Imagem, determina a variável de controle diretamente em função das características visuais, e a segunda, chamada Controle Visual Baseado em Posição, descreve o comando a partir da informação visual transformada do espaço da imagem ao espaço cartesiano. Na aplicação destas duas abordagens forem usados vários algoritmos de processamento de imagens e de controle cinemático de manipuladores, cada um dos quais cumpriu sua tarefa satisfatoriamente, permitindo ao final integrar os diferentes módulos envolvidos para avaliar a tarefa de controle visual como um tudo. Posterior à validação dos algoritmos de análise visual e de modelagem cinemática do manipulador, foi realizada uma etapa de simulação que permitiu testar o comportamento dos sistemas de controle visual projetados, aplicados em um manipulador robótico de seis graus de liberdade. Foi a partir desta simulação que se comprovou o cumprimento da tarefa de posicionamento das duas abordagens e se obtiveram características de desempenho como tempo de execução da tarefa e erro de posicionamento final. O principal aporte desta pesquisa se apresenta no estudo comparativo de desempenho das duas metodologias propostas, verificando não só o cumprimento da tarefa de posicionamento, senão também, em alguns casos a robustez frente a variações do entorno, sendo estes últimos eventos que poderiam apresentar-se num entorno real, como por exemplo, ruído nas cenas, fraca calibração da câmera e erros na descrição do modelo do objeto. Contudo este trabalho se apresenta como uma etapa preliminar no desenvolvimento real de um sistema robusto de controle servo visual, que poderia ajudar na escolha da metodologia apropriada para uma aplicação específica, mas outras considerações devem-se ter em conta, principalmente quanto à modelagem cinemática do manipulador robótico. _______________________________________________________________________________ ABSTRACTThis work presents the development of two approaches of Visual Servoing Systems applied to robotic manipulators; the first one, named Image Based Visual Servoing (IBVS), determines the control variable directly as a function of visual features, the second one, called Position Based Visual Servoing (PBVS), describes the control from the visual information expressed in Cartesian coordinates. In order to apply these two approaches, several image processing and kinematic control algorithms were developed, each of them fulfilled its task satisfactorily, allowing, at the end, to integrate the modules involved to evaluate the visual control system as a whole. Following the validation of visual analysis algorithms and the manipulator’s kinematics model, a simulation step was performed allowing to test the behavior of visual control systems on a robotic manipulator of six degrees of freedom. It was proved, from this simulation, the fulfillment of the positioning task of the two approaches and a number of performance characteristics were obtained, as time for task execution and final positioning error. The main contribution of this research is the comparative study of the performances of the two proposed methodologies, verifying not only the fulfillment of the task for positioning, but, in some cases, their robustness against environment variations. These former events could be present in real environments, such as noise, poor camera calibration, and errors in the object model representation. However, this work is presented as a preliminary step in the actual development of a robust visual servo control, which could help in choosing the appropriate methodology for a specific application. Other considerations must be taken into account, especially in regard to the kinematic modeling of the robotic manipulator