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Thèse Année : 2022

Control of Linear Deformable Objects for Robotized Crops Manipulation

Contrôle d’objets déformables linéaires pour la manipulation robotisée de cultures

Omid Aghajanzadeh
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1252863
  • IdRef : 269772421

Résumé

The use of robots in several essential domains (domestic, industrial, and agricultural) has increased significantly. In recent years, robots have been able to execute a variety of tasks with rigid objects. However, despite the abundance of non-rigid objects all around of us, the manipulation of deformable objects (DO) has received significantly less attention.Linear deformable objects (LDOs) are one type of DO that are commonly present in industry and agriculture, for instance, cables and twigs of vegetables. Yet, finding a suitable technique to control this type of objects remains a significant challenge due to their high degrees of freedom (DOF). Thus, the direction of this research is to develop methods to deal with the stated problem. The main application we consider is agriculture but the methods can be used in other fields as well. In agriculture, many objects can be assumed as LDOs, such as the branches and trunks of vegetables. Pruning, harvesting, packing vegetables and fruits, and moving plants are examples of tasks that require the manipulation of LDOs.A significant challenge in manipulating these objects is to deform them toward the targets desirably, in order to perform different actions (deforming, picking, etc). A major question that may arise here is how robots can properly perform the deformation tasks with LDOs while a wide range of LDOs with different characteristics exists in the agricultural field. Another challenge is that tracking their entire shape is not possible (and not necessary) during the deformation process in some cases, while in others, it is required to track and control the entire shape. Based on the mentioned problems, this dissertation is motivated by two research questions: (1) how can robots deform an LDO without perceiving its entire shape? (2) how can robots deform the entire shape of the object without knowing any model parameters or offline information of the object’s deformation beforehand?To address the first question, we propose two methods to manipulate the objects without perceiving the entire shape. First, we propose an offline geometric model for controlling the shape of elastic linear objects, which develops a method to calculate the deformation Jacobian based on the object’s shape at rest. This method has some limitations and cannot be used with a wide range of objects. So, in the next chapter, using an adaptive algorithm, we suggest a more generic approach for controlling an arbitrary point along the length of an object without calculating any model-based Jacobian matrix. This method can track a desired manipulation trajectory to reach the target shape. To answer the second question, first, we propose an optimal controller method by using an online estimation of a deformation Jacobian to control the objects’ entire shape using a geometric algorithm. Next, we extend the adaptive methodology to control the entire shape. In this method, we do not need to have a geometric model of the object. To validate the presented methods, numerical simulations and real experiments are conducted.
De nombreux domaines peuvent beneficier de l’apport de la robotique pour realiser des travaux difficiles et repetitifs, ou requerant une precision particuliere. A ce titre, de nombreux robots sont aujourd’hui exploites pour executer une grande variete de taches avec des objets rigides. En revanche, malgre l’abondance d’objets deformables autour de nous, la manipulation d’objets deformables (en anglais : deformable objects ou DO) a recu beaucoup moins d’attention, notamment du fait de la necessaire adaptation des fonctions robotiques a la variabilite des proprietes d’interactions avec l’environnement.Les objets lineaires deformables (en anglais : linear deformable object ou LDO) sont un type de DO tres present dans l’industrie en general et l’agriculture en particulier. Pourtant, trouver une technique appropriee pour controler ce type d’objet reste un defi important en raison de leur nombre eleve de degres de liberte (en anglais : degrees of freedom ou DOF). Ainsi, l’objectif de cette these est de developper des methodes de contrôle pour traiter le probleme d’asservissement de forme. Meme si les contributions de cette these peuvent etre utilisees dans de nombreux domaines, la principale application que nous considerons dans cette these est l’agriculture. En effet, dans ce contexte, de nombreux objets peuvent etre consideres comme des LDOs, tels que les branches ou les plantes.Le defi important lors de la manipulation de ces objets est de pouvoir les positionner selon une forme desiree, afin de realiser differentes actions (taile, cueillette, traitement, etc). La question qui peut se poser ici est de savoir comment les robots peuvent effectuer correctement les taches de deformation avec des LDO alors qu’une large gamme de caracteristiques differentes existe, ainsi qu’une forte variabilite de leurs proprietes. Une autre problematique est que le suivi de leur forme complete est difficilement envisageable pendant le processus de deformation, tandis que dans certain cas, il est necessaire de suivre et de controler la forme entiere. Sur la base des problemes mentionnes, cette these cherche a repondre a deux questions de recherche : (1) comment les robots peuvent-ils deformer un LDO sans percevoir sa forme entiere ? (2) comment les robots peuvent-ils deformer la forme entiere de l’objet sans connaitre au prealable les caracteristiques de l’objet ?Pour repondre a la premiere question, nous proposons deux methodes pour manipuler les objets sans percevoir leur forme entiere. Tout d’abord, nous proposons un modele geometrique hors ligne pour controler la forme d’objets lineaires elastiques, qui developpe une methode de calcul de la jacobienne de deformation en se basant sur la forme de l’objet au repos. Cette methode presente certaines limites et ne peut etre utilisee avec une large gamme d’objets. Ainsi, a l’aide d’un algorithme adaptatif, nous proposons une approche plus generique pour controler un point arbitraire sur la longueur d’un objet sans avoir recours a la matrice jacobienne. Cette methode peut suivre une trajectoire de manipulation souhaitee pour atteindre la forme cible. Pour la deuxieme question, nous proposons d’abord une methode de controle optimale en utilisant une estimation en ligne d’une jacobienne de deformation pour controler la forme entiere des objets en utilisant un algorithme geometrique. Ensuite, nous etendons la methode adaptative pour controler la forme entiere. Dans cette methode, nous n’avons pas besoin de disposer d’un modele geometrique de l’objet. Afin de valider les methodes presentees, des simulations numeriques et des experiences en reel sont menees pour evaluer leurs performances.
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2022UCFAC086_AGHAJANZADEH.pdf (23.43 Mo) Télécharger le fichier
Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04092448 , version 1 (09-05-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04092448 , version 1

Citer

Omid Aghajanzadeh. Control of Linear Deformable Objects for Robotized Crops Manipulation. Automatic. Université Clermont Auvergne, 2022. English. ⟨NNT : 2022UCFAC086⟩. ⟨tel-04092448⟩
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