Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/90645
Title: Scalable Modular Multi-Agent Robotic System on Ad-hoc Pathways for Automation in Large Spaces
Authors: Viegas, Carlos Xavier Pais
Orientador: Almeida, Aníbal Traça de
Tavakoli, Mahmoud
Keywords: Automação Industrial; Sistemas Multi-Agente; Manipulação de Precisão; Locomoção em Rail; Fabricação Digital; Manipulador Paralelo; Robótica Industrial
Issue Date: 2-Nov-2017
Project: SFRH/BD/94272/2013 
Place of publication or event: Coimbra
Abstract: Atualmente, os sistemas de automação e fabricação industriais enfrentam o desafio de obter uma elevada precisão num grande espaço de trabalho. Os manipuladores industriais fixos são capazes de atingir uma elevada precisão, mas apenas num espaço limitado. Por outro lado, robots móveis que tenham instalados braços robóticos industriais não possuem a precisão de localização necessária para tarefas de manipulação precisa. Esta dissertação introduz o SCALA: SCAlable moduLar multi-Agent robotic system on ad-hoc pathways for automation in large spaces, ou em português, Sistema robótico multi-agente, escalável e modular, em estruturas específicas, para automação em grandes espaços. Este sistema consiste na aplicação de agentes móveis em estruturas especialmente concebidas, modulares e passivas, e que possuem sensores de localização integrados. Os componentes modulares desta estrutura podem ser instalados vertical ou horizontalmente, para formar uma estrutura de suporte bi-dimensional. Isto permite uma cobertura rápida, precisa e fiável de uma vasta grelha de trabalho bi-dimensional, com um sistema de custo reduzido e escalável. Depois, um, ou vários manipuladores paralelos reconfiguráveis, atuados pelos agentes móveis, podem ser usados para aceder ao espaço tri-dimensional. Este tipo de manipulador paralelo é o primeiro do seu género, capaz de combinar três estratégias distintas para a extensão do seu espaço de trabalho, incluindo reconfiguração, translação da base e extensão do alcance dos atuadores. Com estas ferramentas, o SCALA oferece uma cobertura precisa de um vasto espaço tri-dimensional, preenchendo assim a lacuna existente nos sistemas industriais atuais. O SCALA tem aplicações em várias áreas, na indústria de automação, armazenamento e fabril. Ao instalar uma garra no manipulador, é possível fazer transporte e manipulação de materiais. Da mesma forma, ao usar um laser ou um extrusor de filamento de plástico, é possível fazer fabricação digital. Os agentes móveis do SCALA podem ser usados como sistema de videovigilância ativo em espaços domésticos e públicos, como centros comerciais, aeroportos e estádios. Outras aplicações na área da visão incluem, por exemplo, a reconstrução tridimensional de uma cena, para laboratórios ou estúdios de captura de movimentos. A contribuição deste trabalho para o estado de arte pode, desta forma, ser estendida a três domínios distintos: Introdução de uma nova arquitetura de sistemas multi-agente; Introdução de um novo manipulador paralelo reconfigurável e desenvolvimento de uma metodologia de projeto para máquinas paralelas, baseada na correta seleção dos parâmetros geométricos que assegure o desempenho desejado do sistema; sistemas para aplicações à distância, na área da visão computorizada. Esta dissertação abrange todo o ciclo de projeto, desde ao desenvolvimento do conceito, implementação e teste do sistema SCALA. Várias soluções mecânicas e mecatrónicas foram virtualmente e fisicamente testadas até chegar ao último protótipo. Foram depois demonstradas três aplicações distintas do sistema proposto, sendo elas a manipulação de objetos, fabricação digital e video-vigilância ativa e autónoma. Estas demonstrações têm como objetivo validar não só o conceito do SCALA, mas também a sua implementação. Os resultados obtidos são apresentados e discutidos em detalhe, e por fim são propostos futuros desenvolvimentos nesta plataforma.
Current industrial fabrication and automation systems are faced with the challenge of achieving fine manipulation over a large workspace. Fixed industrial arms offer high accuracy, but can only operate on a limited workspace. On the other hand, mobile robots equipped with a manipulator, do not possess the positioning accuracy required for fine manipulation. This dissertation introduces SCALA: a SCAlable moduLar multi-Agent robotic system that navigates on ad-hoc pathways for automation in large spaces. It is based on the application of ad-hoc mobile agents, navigating over specially designed modular passive pathways with integrated high resolution localization systems. Modular pieces of the pathway can be installed vertically or horizontally and connected to form a bi-dimensional scaffold. This allows fast, precise and repeatable coverage of a vast and scalable bi-dimensional work grid with a low cost and scalable system. Then, one, or several reconfigurable parallel manipulators can be driven by the mobile agents and used to reach the tri-dimensional workspace. This parallel manipulator is the first of its kind, combining three different strategies for workspace extension, including reconfiguration, translation of the base and extension of the drive’s ranges. With these tools, SCALA is capable of offering precise coverage of a large tri-dimensional workspace, thus fulfilling the gap between existing industrial solutions. SCALA has applications in several fields, inside warehouses and factories. By adapting a gripper to the SCALA manipulator, one can do automation and material handling. By using a laser or a plastic filament extruder, one can do digital fabrication. The SCALA 2D agents can also be used for indoor and outdoor active surveillance in places such as shopping centers, airports, and stadiums, or as 3D tracking tool for motion capture labs. Original contributions to knowledge can be extended to three distinct domains: Introduction of a novel architecture for autonomous multi agent systems; Introduction of a novel reconfigurable parallel manipulator architecture and development of a design methodology for parallel machines, based on geometrical parameter selection for a desired performance set; Introduction of a system for applications without "physical contact", as in the field of computer vision; This dissertation covered the whole cycle of concept development, design, implementation and testing of the SCALA system. Until reaching the last prototype, several mechanical and mechatronic solutions were tested virtually and physically. A scale test bed was implemented for the testing and demonstration of the SCALA prototype. Demonstrations of three different applications of this system including pick and place, digital fabrication and active autonomous surveillance, were shown. These demonstrations served the purpose of validating not only the concept of SCALA, but also its actual implementation. The results are presented and discussed in detail, and future developments of this platform are proposed.
Description: Doctoral Thesis in Mechanical Engineering, branch of Management and Industrial Robotics, submitted to the Faculty of Sciences and Technology of the University of Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/90645
Rights: openAccess
Appears in Collections:UC - Teses de Doutoramento
FCTUC Eng.Mecânica - Teses de Doutoramento

Show full item record

Page view(s)

12
checked on Sep 24, 2020

Download(s)

15
checked on Sep 24, 2020

Google ScholarTM

Check


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons