Published January 1, 2020 | Version v1
Publication Open

M-FABRIK: A New Inverse Kinematics Approach to Mobile Manipulator Robots Based on FABRIK

Creators

  • 1. Universidade Federal de Campina Grande
  • 2. Universidade Federal de Sergipe

Description

The inverse kinematics of mobile manipulators is a challenging problem due to the high degree of kinematic redundancy added by the coupling of the mobile platform and the manipulator. Some different approaches have been proposed to solve this problem, but most of them are either complex in terms of modelling and matrix calculation, with high computational cost and even with singularity problems, or slow in terms of convergence. This paper proposes a new approach for inverse kinematics of mobile manipulators based on the algorithm FABRIK. This new method, named M-FABRIK, has as main advantages the simplicity to implement, a fast convergence and a low computational cost, allowing real-time applications. Furthermore, this solution allows the robot to be positioned according to various criteria, such as decreasing convergence time, avoiding contact with obstacles, avoiding joint angle limits, increasing robot manipulability or even decreasing joint effort, besides avoiding matrix inversion and being robust to singularities. The proposed approach is illustrated by simulation considering a 5 DOF manipulator mounted on an omnidirectional base for a path-tracking task in different environments, including obstacles. A comparison between the proposed approach and classical methods is also presented.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تعد الحركيات العكسية للمتلاعبين المتنقلين مشكلة صعبة بسبب الدرجة العالية من التكرار الحركي الذي يضيفه اقتران المنصة المتنقلة والمتلاعب. تم اقتراح بعض الأساليب المختلفة لحل هذه المشكلة، لكن معظمها إما معقد من حيث النمذجة وحساب المصفوفة، مع تكلفة حسابية عالية وحتى مع مشاكل التفرد، أو بطيء من حيث التقارب. تقترح هذه الورقة مقاربة جديدة للحركيات العكسية للمتلاعبين المتنقلين بناءً على خوارزمية فابريك. هذه الطريقة الجديدة، المسماة M - FABRIK، لها مزايا رئيسية تتمثل في البساطة في التنفيذ، والتقارب السريع والتكلفة الحسابية المنخفضة، مما يسمح بالتطبيقات في الوقت الفعلي. علاوة على ذلك، يسمح هذا الحل بوضع الروبوت وفقًا لمعايير مختلفة، مثل تقليل وقت التقارب، وتجنب الاتصال بالعقبات، وتجنب حدود زاوية المفصل، وزيادة قدرة الروبوت على المناورة أو حتى تقليل الجهد المشترك، إلى جانب تجنب انعكاس المصفوفة وقوة التفرد. يتم توضيح النهج المقترح من خلال المحاكاة مع الأخذ في الاعتبار مناور 5 DOF مثبت على قاعدة متعددة الاتجاهات لمهمة تتبع المسار في بيئات مختلفة، بما في ذلك العقبات. كما يتم تقديم مقارنة بين النهج المقترح والأساليب الكلاسيكية.

Translated Description (French)

La cinématique inverse des manipulateurs mobiles est un problème difficile en raison du degré élevé de redondance cinématique ajouté par le couplage de la plate-forme mobile et du manipulateur. Différentes approches ont été proposées pour résoudre ce problème, mais la plupart d'entre elles sont soit complexes en termes de modélisation et de calcul matriciel, avec un coût de calcul élevé et même avec des problèmes de singularité, soit lentes en termes de convergence. Cet article propose une nouvelle approche de la cinématique inverse des manipulateurs mobiles basée sur l'algorithme FABRIK. Cette nouvelle méthode, nommée M-FABRIK, a pour principaux avantages la simplicité de mise en œuvre, une convergence rapide et un faible coût de calcul, permettant des applications en temps réel. En outre, cette solution permet de positionner le robot selon divers critères, tels que la diminution du temps de convergence, l'évitement du contact avec les obstacles, l'évitement des limites d'angle d'articulation, l'augmentation de la manipulabilité du robot ou même la diminution de l'effort d'articulation, en plus d'éviter l'inversion de matrice et d'être robuste aux singularités. L'approche proposée est illustrée par une simulation en considérant un manipulateur à 5 DOF monté sur une base omnidirectionnelle pour une tâche de suivi de trajectoire dans différents environnements, y compris les obstacles. Une comparaison entre l'approche proposée et les méthodes classiques est également présentée.

Translated Description (Spanish)

La cinemática inversa de los manipuladores móviles es un problema desafiante debido al alto grado de redundancia cinemática añadido por el acoplamiento de la plataforma móvil y el manipulador. Se han propuesto algunos enfoques diferentes para resolver este problema, pero la mayoría de ellos son complejos en términos de modelado y cálculo de matrices, con un alto coste computacional e incluso con problemas de singularidad, o lentos en términos de convergencia. Este trabajo propone un nuevo enfoque para la cinemática inversa de manipuladores móviles basado en el algoritmo FABRIK. Este nuevo método, denominado M-FABRIK, tiene como principales ventajas la simplicidad de implementación, una rápida convergencia y un bajo coste computacional, permitiendo aplicaciones en tiempo real. Además, esta solución permite que el robot se posicione de acuerdo con diversos criterios, como disminuir el tiempo de convergencia, evitar el contacto con obstáculos, evitar los límites de ángulo de las articulaciones, aumentar la manipulabilidad del robot o incluso disminuir el esfuerzo de las articulaciones, además de evitar la inversión de la matriz y ser robusto a las singularidades. El enfoque propuesto se ilustra mediante la simulación considerando un manipulador de 5 DOF montado sobre una base omnidireccional para una tarea de seguimiento de ruta en diferentes entornos, incluidos los obstáculos. También se presenta una comparación entre el enfoque propuesto y los métodos clásicos.

Files

09261373.pdf.pdf

Files (245 Bytes)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:e2ebe0b7a473dd81f386a9873a0c1b4a
245 Bytes
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
م- فابريك: نهج حركي عكسي جديد لروبوتات المناور المتنقلة بناءً على فابريك
Translated title (French)
M-FABRIK : Une nouvelle approche cinématique inverse des robots manipulateurs mobiles basée sur FABRIK
Translated title (Spanish)
M-FABRIK: un nuevo enfoque de cinemática inversa para robots manipuladores móviles basado en FABRIK

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3106042753
DOI
10.1109/access.2020.3038424

Is supplement to
https://openalex.org/W4244134337 (Other)
https://openalex.org/W4231686530 (Other)
https://openalex.org/W4231651419 (Other)
https://openalex.org/W3185647786 (Other)
https://openalex.org/W2508650638 (Other)
https://openalex.org/W2389690162 (Other)
https://openalex.org/W2351083540 (Other)
https://openalex.org/W2181731670 (Other)
https://openalex.org/W2060497234 (Other)
https://openalex.org/W2035968624 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W1499677911
  • https://openalex.org/W1537598525
  • https://openalex.org/W1999165127
  • https://openalex.org/W2003078294
  • https://openalex.org/W2068317958
  • https://openalex.org/W2119578520
  • https://openalex.org/W2146097584
  • https://openalex.org/W2271601212
  • https://openalex.org/W2326492923
  • https://openalex.org/W2338245994
  • https://openalex.org/W2475210682
  • https://openalex.org/W2739477330
  • https://openalex.org/W2794349891
  • https://openalex.org/W2807756272
  • https://openalex.org/W2897001613
  • https://openalex.org/W2934945773
  • https://openalex.org/W2954060474
  • https://openalex.org/W2997297861
  • https://openalex.org/W51885677