real-time obstacle avoidance for telerobotic systems based on

8
International Journal of Advanced Robotic Systems Real-Time Obstacle Avoidance for Telerobotic Systems Based on Equipotential Surface Regular Paper Xin Li * , Aiguo Song, Huijun Li, Wei Lu and Chen Mao School of Instrument Science and Technology, Southeast University, Nanjing, China * Corresponding author E-mail: [email protected] Received 29 May 2012; Accepted 12 Jun 2012 DOI: 10.5772/50652 © 2012 Li et al.; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract Redundant manipulators offer a dual advantage of flexibility and dexterity and can be used in many civilian and military areas. However, operating such systems by teleoperation is challenging because of the redundancy and unstructured task environment, which result in the human operator suffering a huge burden when telemanipulator is facing the complicated obstacles. The existing methods usually use some offline algorithms to solve the problem of obstacle avoidance. It is difficult for them to meet the requirements of realtime teleoperation in some unknown environment. This paper presents an online method for a telerobotic system to take advantage of redundancy to avoid obstacle, which is based on realtime sensor information. With this method, the human operator can focus attention on the endeffector operation regardless of the obstacle avoidance of other parts. The effectiveness and advantage of the method are well demonstrated by experiments. Keywords Equipotential surface, obstacle avoidance, realtime, telerobot. 1. Introduction Telerobotic systems offer an attractive opportunity to combine human intelligence with robotic proficiency. In the last decade, the telerobotic systems can be used in critical and hazardous environments, including military, energy, space, and others. In order to improve the ability of interacting with the real world, the manipulators which possess redundant degree of freedom are introduced in the telerobotic system to deal with the various challenges such as obstacle avoidance, joint limits and better manipulability. Telerobotic control is different from the normal robotic control. The normal robotic control need path planning automatically, while the path of telerobot is planned by the command information provided by human operator. In general telerobotic systems, the human operator is saddled with two basic tasks: 1) moving the robot arm to its desired position, and 2) avoiding obstacles collide with the telemanipulator [1]. Practically, when disposing a grasping task by redundant telerobotic systems, human operator only focuses attention on the endeffector to track the command trajectory, while movement of other links of 1 ARTICLE www.intechopen.com Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 71:2012

Upload: lekiet

Post on 01-Jan-2017

222 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: Real-Time Obstacle Avoidance for Telerobotic Systems Based on

International Journal of Advanced Robotic Systems

Real-Time Obstacle Avoidance for Telerobotic Systems Based on Equipotential Surface Regular Paper

Xin Li*, Aiguo Song, Huijun Li, Wei Lu and Chen Mao  School of Instrument Science and Technology, Southeast University, Nanjing, China * Corresponding author E-mail: [email protected]  Received 29 May 2012; Accepted 12 Jun 2012 DOI: 10.5772/50652 © 2012 Li et al.; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract  Redundant  manipulators  offer  a  dual advantage of flexibility  and dexterity and can be used in many  civilian  and  military  areas. However,  operating such  systems by  teleoperation is challenging because of the  redundancy  and  unstructured  task  environment, which  result  in  the  human  operator  suffering  a  huge burden  when  telemanipulator  is  facing  the complicated obstacles. The existing methods usually use some off‐line algorithms  to solve  the problem of obstacle avoidance.  It  is  difficult  for  them  to  meet  the requirements  of  real‐time  teleoperation  in  some unknown  environment.  This  paper  presents  an  on‐line method  for  a  telerobotic  system  to  take  advantage  of redundancy  to  avoid obstacle, which  is  based on  real‐time  sensor information. With this method, the human operator  can  focus  attention  on  the  end‐effector operation  regardless of  the obstacle avoidance of other parts. The  effectiveness  and  advantage  of  the method are well demonstrated by  experiments.  Keywords  Equipotential  surface,  obstacle  avoidance, real‐ time,  telerobot.  

1. Introduction  Telerobotic  systems  offer  an  attractive  opportunity  to combine human  intelligence with  robotic proficiency.  In the  last  decade,  the  telerobotic  systems  can  be  used  in critical  and hazardous  environments,  including military, energy, space, and others. In order to improve the ability of  interacting  with  the  real  world,  the  manipulators which  possess  redundant  degree  of  freedom  are introduced  in  the  telerobotic  system  to  deal  with  the various challenges such as obstacle avoidance, joint  limits and better manipulability. Telerobotic control is different from  the  normal  robotic  control.  The  normal  robotic control need path planning automatically,  while the path of  telerobot  is  planned  by  the  command  information provided  by  human  operator.  In  general  telerobotic systems,  the  human  operator  is  saddled with  two  basic tasks:  1) moving  the  robot  arm  to  its  desired  position, and 2) avoiding obstacles collide with the telemanipulator [1].  Practically,  when  disposing  a  grasping  task  by redundant  telerobotic  systems,  human  operator  only focuses  attention  on  the  end‐effector  to  track  the command  trajectory, while movement  of  other  links  of 

1Xin Li, Aiguo Song, Huijun Li, Wei Lu and Chen Mao: Real-Time Obstacle Avoidance for Telerobotic Systems Based on Equipotential Surface

www.intechopen.com

ARTICLE

www.intechopen.com Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 71:2012

Page 2: Real-Time Obstacle Avoidance for Telerobotic Systems Based on

manipulator  are  usually  ignored  and  in  unsupervised situation.  In  other  words,  it  is  difficult  for  human operator  to  control  all  links  of  manipulator  to  avoid obstacles,  especially  in  a  complex  environment. Hence, the  links  with  the  risk  of  collision  should  have  the ability  to  automatically  avoid  collision.  The  previous researches  for  the  collision  avoidance  of  robotic  system refer to a structured environment, so the solution is based on  off‐line  in most  cases. However,  due  to  the  variable environment,  the  telerobotic  system  needs  the  on‐line ability  to  avoid  the  collision  in  order  to  ensure  the security of manipulator. In order to reduce the burden of human  operator,  therefore,  there  are  two  practically difficult  problems  need  to  solved.  One  is  that  the telerobotic system has to detect the obstacle and judge the possibility  of  collision  in  real‐time;  the  other  one  is  the telerobotic  system  need  a  suitable  scheme  to  avoid obstacles efficiently. The redundant telemanipulator leads to infinite possible joint positions for the same pose of the end‐effector.  Accord‐  ingly,  this  naturally  leads  to  the research  that a robot can achieve a primary task with  its end‐effector  and  simultaneously  satisfy  certain requirement with the supplementary degrees of freedom. In  this paper,  an obstacle  avoidance  approach based on an  equipotential  surface  is  proposed  for  a  7‐DOF  robot manipulator in telerobotic system, which takes advantage of  redundant  freedom  of  robot manipulator  to  achieve obstacle  avoidance,  and  results  of  relative  experiments are  illustrated.  The  rest  of  this  paper  is  organized  as follows. The  relevant  research  is discussed  in Section  II, which  is  followed  by  the  control  architecture  of  our telerobotic  system  in Section  III. We present  the  sensor‐based  obstacle  avoidance  is  studied  in  Section  IV.  In Section  V,  experimental  results  are  presented  to demonstrate  the  efficacy  of  the  proposed  algorithms. Finally, conclusions are made in Section VI.  2. Related research  Traditional  researches  related  to  robotic  obstacle avoidance strategies can be divided  into reactive control, global planning and mixed approaches  [2]. The  fact  that real  robotic  systems  rarely  have  an  exact description  of the  environment,  coupled  with  a  desire  for  real‐time planning,  led  to  the  development  of  reactive  control approaches.  Reactive  control  approaches  are  mainly based  on  potential  field  methods  that  rely  on  local information  [3]  [4].  The  drawback  of  reactive  control  is that  the  robot might  get  stuck  in  a  local minimum.  In teleoperation, however, because of  the path planning by human  operator,  the  above  problem  could  be  solved. Hence, the reactive control is fit for teleoperation. Global planning  approaches  on  the  other  hand  take  global information  into account. These methods  focused on  the robot  operated  in  the  invariable  environment,  such  as development  of  the  PRM  planner  [5]  [6].  Due  to  the assumption  of  a  static  environment  and  poor  ability  of 

real‐time, global planning approaches are not applicable to telerobotic system in unknown environment. After the reactive  control  and  global  planning,  various  mixed method  were  proposed.  Elastic  Bands  [7]  and  Elastic Strips  [8]  are  mixed  method,  which  combine  global information and local one. Initially, they made a planned path,  and  then  the  path  is  adapted  to  a  changing environment  which  uses  reactive  control.  However, calculating  distances  from  the  robot  to  a  point  cloud might  be  time  consuming.  Dynamic  Roadmaps  (DRM) introduced  by  Leven  and  Hutchinson  [9]  adopt  the method  of  increasing  on‐line  efficiency  through preprocessing  from  classical  PRM  approaches  to  plan path  in  changing  environments.  Due  to  adapting  the classical PRM  to get a preprocessed  roadmap, DRM still relies on preprocessing to enable real time plan. In other word,  DRM  also  need  preprocessing,  hence  it  is  not suitable for teleoperation. Especially, some researches on obstacle  avoidance  for  telerobot  in  Jet  Propulsion Laboratory were more professional  [10]  [11]  [12]. Due  to the specific characteristic of telerobotic system, the global path planning  is controlled by human operator,  the  idea of reactive control  is more suitable for telerobot to avoid obstacles.  Seraji  introduced  configuration  control  for redundant  robot  [13],  and  then  he  proposed  the  virtual spring‐plus‐damper  method  with  proximity  sensor  to implement  the  security  of  robot  based  on  configuration control. Nonetheless, because the cost of proximity sensor is too high, this method which measure the distance from robot  to  the obstacle  is unsuitable  for normal  telerobotic system. Instead, our approach uses general visual sensor or  range  sensor. Additionally,  our  focus  is  on  avoiding collision as  in real  time as possible. The contributions  in our work are: (1) a method based on equipotential surface is proposed to calculate the distance from the robot to the obstacle.  (2)  a  control  scheme  taking  advantage  of redundant  degree  of  freedom  is  presented  to  achieve obstacle avoidance.  3. Control architecture  In general, a telerobotic system can be represented by the block diagram in Figure 1 and consists of five subsystems: the  human  operator,  the  master,  the  communication media,  the slave  (telemanipulator), and  the environment [14].  The  human  operator  provides  a  position/velocity and force command, through the master, communication media,  and  slave,  to  interact  with  the  environment; likewise,  the  information  sensed  at  the  environment  is transmitted  backward  through  these  blocks,  to  the operator [15]. This is a bilateral process.  

Figure 1. Concept map of the telerobotic system  

2 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 71:2012 www.intechopen.com

Page 3: Real-Time Obstacle Avoidance for Telerobotic Systems Based on

In  this  paper, we  construct  a  telerobotic  system, which consists  of  three  parts:  teleoperation  station, communication media and robot system, as shown in Fig. 2. The teleoperation station  includes the human operator and the master, where the joystick is used as master. The communication  media  is  the  Internet.  The  telerobot system is composed of a mobile manipulator and a sensor system.  The  mobile  manipulator  is  the  executor  that implements the mission, which contains a 4‐wheel mobile base and a dexterous 7‐DOF arm  robot, which exist one redundant joint for the task 6‐DOF task‐ space control. In other  words,  there  are  infinite  different  arm  postures which  yield  the  same  end‐effector  configuration.  In  this paper, the kinematic control of manipulator is to employ the  configuration  control method  proposed  in  [13].  The sensor  system  is  used  to  detect  the  information  of environment. In the control process, the human operator sends the six dimensional velocity commands to the end‐effector, through the Internet to the remote robot system. Then,  the  robot  system  responds  to  implement  the  task. The end‐effector of manipulator  is supervised by human operator, which  ensures  the  collision  avoidance. At  the same  time,  the  sensor  system detects  the  information of task  space  in  real‐time  and  controls  the  links  of manipulator to achieve collision avoidance autonomously. Next, we introduce the proposed method in detail.  

Figure 2. Architecture of the telerobotic system   4. Sensor‐based obstacle avoidance  In  this  section,  the  method  of  sensor‐based  obstacle avoidance is discussed. The aim of this method is to make telemanipulator  accomplish  collision  avoidance automatically through a sensor.  4.1 Modeling of the manipulator   The  configuration  control,  which  is  also  called  the  ‘augmented  Jacobian method’,  is  used  in modelling  the manipulator  in  this  paper.  For  the  7‐DOF  redundant manipulator  in  Figure  3,  let  6X , denotes  the position and orientation of the manipulator end‐effector. Let  7  denotes the vector the 7  joint angles. Hence, the forward kinematics and speed kinematics of  the manipulator can be written as: 

( )X f                                         (1)  

( )eeX J                                       (2)  

where  7 6:f  is  the  forward  kinematic  function,  and 6 7

eeJ  is  Jacobian  matrix  of  end‐effector.  Then  X  is 

augmented  by  the  user‐defined  kinematic  function   to yield  the  7 1  configuration  vector  [ , ]T TY X .  In  this paper,  the  user‐define  function   is distributed  by  ‘arm angle’, which  describes  the  angle  from  reference  plane and  the  shoulder‐elbow‐wrist  plane  SEW ,  as  shown  in Figure 4. The reference plane is consisted of y‐axis of the basic frame and line  SW [16]. The kinematic function and the differential function of the arm angle as:  

( )g                                      (3)  

J                                      (4)  

where  7 1:g  is kinematic  function of arm angle.  J  is the  Jacobian matrix associated with  the arm angle. Thus the kinematic model of whole manipulator is:  

( )( )

( )X f

Y hg

                            (5) 

 where  7 7:h , and the differential kinematic model:  

( )( )

( )

ee

augJ

Y JJ

                           (6) 

 where  7 1J  is Jacobian matrix of arm angle,  7 7augJ  is the augmented Jacobian. In other words, the basic task of the  manipulator  control  has  been  augmented  by  the additional task. For the teleoperation, the collision of end‐effector  can  be  avoided  by  human  operator  because  of supervision  in  the  control  process.  When  the  human operator  forcuses  attention  on  the  end‐effector,  the forearm  part,  EW ,  is  in  the  unsupervised  case,  so  it  is dangerous  and  the  collision  might  happen.  Hence,  an idea that takes advantage of additional task of redundant manipulator  to  avoid  potential  danger  is  considered. Intuitively, the collision avoidance is achieved by rotating the elbow  E  with respect to the shoulder‐wrist axis  SW .  

 

Figure 3. Model of 7‐DOF manipulator 

3Xin Li, Aiguo Song, Huijun Li, Wei Lu and Chen Mao: Real-Time Obstacle Avoidance for Telerobotic Systems Based on Equipotential Surface

www.intechopen.com

Page 4: Real-Time Obstacle Avoidance for Telerobotic Systems Based on

 Figure 4. Arm angle  4.2 Sensor system   The  information  we  need  is  the  3D  shape  data  of  the obstacle  in  the  environment,  so  it  is  feasible  for  any kind  of  sensor  or  combination  of  several  sensors  as long  as  they possess the ability to obtain 3D information of obstacle, such as  stereo vision, 3D  laser measurement sensor, and others. Before detection, the coordinate frame of  sensor  system  needs  to  be  calibrated  with  the  base coordinate  frame  of  robot  system.  Calibration  gives  all necessary  parameters  which  relate  the  sensor  system frame  ( , , )cr c d  to  the  coordinates  of  a  point  ( , , )wx y z  in detection field. The subscript  c and  w  indicate the sensor coordinate  frame  and  the  world  coordinate  frame respectively. So, there is:  

( , , ) ( , , )w ww c c cx y z R r c d O                           (7) 

 where  w

cR  is the transformation matrix from sensor frame to base frame of robot system.  w

cO  is the coordinate of the origin  of  the  sensor  frame  in  the  base  frame.  After calibrating,  each  point  in  sensor  coordination  is transformed  into  the  corresponding  position  in  world coordinate frame. Then, the position of obstacle needs to be  located.  The  method  proposed  in  this  paper  take advantage of projection on a certain surface. In detail, this method is to project the dangerous link of manipulator to the moving direction of  the end‐effector of manipulator, and  the positional  relationship  of projections  is used  as the criteria. In this paper, an equipotential surface which is  perpendicular  to  the  moving  direction  of  the  end‐effector, namely is determined by the x‐value of the end‐effector,  is used  to be projective plane  in  the  front of  the manipulator,  as  shown  in  Figure  5.  The  effect  of  the equipotential  surface  is  to  evaluate  the  positional relationship  between  the  link  of  manipulator  and  the obstacle.  According  to  the  transformation  obtained  by calibration,  the  distance  between  the  equipotential surface  and  the  r c  plane  of  the  sensor  frame  can  be calculated.  Suppose  the  distance  between  the equipotential  surface  and  the  r c  plane  of  the  sensor frame is  D , and the distance from a 3D data point in the environment to the  r c  plane of the sensor frame is  id . If 

id D ,  he point  are defined  as  obstacle point,  otherwise the point is non‐obstacle one, as shown in Figure 6. Then, the method  requires  to  get  the  projection  of  the  link  of 

manipulator on  the equipotential surface, such as  i iEW  in Figure 6. However, it is different from the above method. The method is: 

weq eq wL R L                                      (8) 

 where  eqL  is  the  coordinate  of  link  in  the  equipotential surface,  wL  is  the  coordinate of  link  in world  frame,  w

eqR  is transformation  matrix  from  the  world  frame  to  the equipotential  surface.  Thus,  the  projection  of  link  on  the equipotential  surface  can  be  obtained.  A  Laser Measurement System with a 2‐D pan‐tilt is used as 3D laser detection system in this paper. In Figure 7, we can find that the  obstacle  is  detected  using  projection method  by  the point cloud data obviously. Figure 7(a) shows the original image; Figure 7(b) shows the result of detection. In Figure 7(b), the red closed curve indicates the edge of the obstacle.  

ZY

X

r

cd

  

Figure 5. Equipotential surface 

iE

iW

Figure  6. Obstacle  and  forearm  are  projected  on  Equipotential surface  

 (a) Original image of laser system 

4 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 71:2012 www.intechopen.com

Page 5: Real-Time Obstacle Avoidance for Telerobotic Systems Based on

 (b) Detection image by  laser system 

Figure 7. The result of laser detection  4.3 Obstacle avoidance scheme  The obstacle avoidance scheme was inspired by the idea of artificial potential field [3]. Because the control is based on velocity, the link of manipulator needs to get velocity value to avoid obstacles. In other words, the link of manipulator would keep away from the obstacle at a certain speed in a artificial  potential  field. Additionally,  there  are  following properties in projection method: 1) When the projection of link  i iEW  overlaps or  intersects  the obstacle projection,  the collision may happen; 2) When  the projection of  link  i iEW  does not overlap the obstacle projection, the collision never happen.  Accordingly,  the  link  is  safe  as  long  as  the projection of link and the projection of obstacle would not intersect. According to the 3D data of the environment, the potential field of obstacle on the equipotential surface can be  obtained  by  shell.  1  and  2  represent  the  influence distance  of  the  potential  field  influence  to  avoid undesirable  disturbance  when  the  obstacle  approaches, and hence they form two envelopes, as shown in Figure 8.   denotes  the  shortest  distance  between  the  projection 

i iEW , and the edge of obstacle can be used to construct the potential field relation. In addition, in Figure 8, the point  P  represents the closest point on the surface of an obstacle to the projection of the link  i iEW . The point  Q  is the point on 

i iEW  that is closest to  P .  

PQ

iE

iW

2

1

Figure  8. Distance  relation between  the  link projection and  the obstacle projection 

Thus, there is a double layers protection for the arm.  1  is absolute security distance, which defines the  inner  layer. When  the  forearm  link  is  close  to  the  obstacle,  the   is less  than  1  possibly,  even  the  i iEW  may  overlap  the obstacle projection.  In  this  case,  the  arm  angle needs  to rotate  as  a  fast  constant  angular  velocity,  which  is denoted as  maxV . This case is dangerous, so we can employ an approach  to cease  the motion of  the end‐effector and only  to  rotate  the  arm  angle  with  predefined  velocity until the shortest distance   equals  1 . Namely, once the projection  i iEW  enters  into  this  layer,  only  arm  angle rotates at a certain angular velocity, while other kinematic joints  are  static. Here,  the  velocity  of  arm  angle  in  this case  innerv  is defined by   

max 1innerv V                                 (9)  

where  maxV  is an user‐specified constant velocity. And,  2  is  the  relative  security distance, which defines  the outer layer. Thus, when the projection  i iEW  enter  into the outer layer, namely  1 2 , the link  EW  might be affected by the virtual velocity. The virtual velocity is designated  outerv   

1 22

1 1outerv K

                      (10) 

 where  K  is  an  user‐specified  proportional  coefficient. Note  that  the  direction  of  outerv  is  from  P  to  Q  and  it ensures  that  the  velocity  of motion  is  continuous  from 

maxV to  0. However,  the  outerv  is  the  linear  velocity  of  the corresponding point  Q  on  the projection  i iEW , so we still need  to  transfer  it  into  angular  velocity  of  arm  angle. According to the position of  Q  on the projection  i iEW , the corresponding  point  on  the  forearm  link  EW can  be defined,  which  is  denoted  by  EWQ  Though  the proportional  relation  /EW i i iQ W QW EW EW , we  can  obtain the  position  of  EWQ .  In  order  to  obtain  the  radius  of rotation, we  let  h  be  the  distance  from  the  point  EWQ  to the  line  SW , as shown  in Figure 9. Thus, we can get  the angular velocity of arm angel with respect to  EWQ   

2

1 1A outerouter

v Kvh h

                           (11) 

 Therefore, the virtual velocity  v  on arm angle is  

max 1

1 22

2

1 1( )

0

Vkvh

                        (12) 

 Note that the virtual velocity is zero when  2 . For the case  of  multiple  obstacle,  v  is  sum  of  several  virtual velocity  generated  by  the  corresponding  obstacles, 

5Xin Li, Aiguo Song, Huijun Li, Wei Lu and Chen Mao: Real-Time Obstacle Avoidance for Telerobotic Systems Based on Equipotential Surface

www.intechopen.com

Page 6: Real-Time Obstacle Avoidance for Telerobotic Systems Based on

namely 1

nn

v v ,  where  n  is  amount  of  obstacles,  nv  is 

the virtual velocity generated by nth obstacle. In the same way,  if the human operator  inputs a velocity  humanv  on the arm angle,  the output velocity  outputv  of arm angle will be changed  by  integrating  the  obstacle  avoiding  velocity, namely 

1

output human nn

v v v                              (13) 

 In  this way,  the  forearm  link of  the  telemanipulator  can implement a teleoperation task safely.  

Obstacle Projection

P

Q

EWQ

Elbow

Shoulder WristH

Equapotential

Surface

h

Y

Z

X

  

Figure 9. Radius of rotation h  5. Experiment  To perform the experiment, a 7‐DOF manipulator named LWA3 which is produced by Schunk Company was used. The LWA3 manipulator  is  controlled by a  configuration controller  which  ensures  that  end‐effector  tracks  user‐specified  trajectories  to  catch  a  target.  During  the manipulation,  the  human  operator  only  focused  on  the motion  of  end‐effector,  while  the  detection  system continuously  computed  the  distances  between  the forearm  link projection  and  the  obstacle projection. The obstacle avoidance strategy was implemented in the real‐time controller so that the forearm link was always in safe situation.  There were  two  experiments  to  illustrate  the effectiveness  and  real‐time  ability  of  the  proposed method respectively.  

  

Figure 10. Experiment Setting 

Let  2K  for  experiment.  Additionally,  1 50 mm, 

2 150 mm  and  max 0.04 /V rad s  are  adopted.  The experiment setting is shown in Figure 10.  5.1 Experiment 1 – Obstacle is still   The  goal  of  this  experiment  is  to  demonstrate  the effectiveness of the proposed method. In the experiment, the  end‐effector  is  commanded  to  move  forward, namely x‐axis direction, and  the obstacle  is  in  the  front of  forearm  link  EW .  If  the  arm  angle  keep  still,  the collision  must  happen  as  the  end‐effector  moves. However,  the  proposed  method  make  the  arm  angle rotate according to the detected information, namely use redundancy  resolution  to  achieve  collision  avoidance based  on  sensor  system.  Figure  11  shows  the  velocity command  of  x‐axis  direction,  which  indicates  end‐effector  keep  moving  forward  in  x‐axis  direction.  In Figure 12,  the blue real  line  indicates  the change of  the closest distance between the forearm link projection  i iEW  and  the obstacle projection,  i.e.  . The  red dashed  line illustrates  the position of the  1 . The  intersection of  the blue real line and the red dashed line indicates the time that  the  link  i iEW  leaves  the  inner  layer, which  is  15.6s. So,  the  initial part  shows  the  i iEW  overlaps  the obstacle projection and the inner layer before 15.6s; the following part shows  the  i iEW  is moving  in outer  layer after 15.6s. Figure  13  shows  the  angular  velocity  of  arm  angle. Correspondingly,  we  can  find  the  angular  velocity keeps  to be 0.04  rad/s before 15.6s and  v  is decreasing as  the   is  increasing.  The  virtual  velocity  can  ‘push’ the  forearm  link  away  from  the  obstacle.  Thus,  this experiment  illustrates  the  forearm  link  can  achieve collision avoidance by the proposed method. In addition, Figure  14  shows  the  whole  process  of  collision avoidance.  

 Figure 11. X‐axis velocity of end effector  

6 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 71:2012 www.intechopen.com

Page 7: Real-Time Obstacle Avoidance for Telerobotic Systems Based on

  

Figure  12.  Closest  distance  between  the  forearm  link  and  the obstacle  

  

Figure 13. Angular velocity of arm angle  

  

Figure 14. Process of collision avoidance (sampled every 5s) 

5.2 Experiment 2 – Obstacle is mobile   In  this experiment,  the aim  is  to demonstrate  the  real‐time ability of the proposed method. We made the obstacle keep moving  in  the  front  of  forearm  link  randomly,  namely changed  the  randomly  and  checked  the  response  of  the angular velocity of arm angle. Similarly, the human operator sent  task  space  command  of  the  end‐effector  in  x‐axis direction of the base frame, then the angular velocity of the arm angle was autonomously calculated based on the sensor information.  Figure  15  shows  the  velocity  command  of  x‐axis direction in this experiment. The value of the blue real line  indicates  end‐effector  keep moving  forward  in  x‐axis direction.  Figure  16  indicates  the  change  of   (the  red dashed  line  indicates  50 mm),  and  Figure  17  shows  the corresponding change of v  (the red dashed line indicates the 

0.04 /v rad s ). Obviously, the  v  becomes 0.04 rad/s once the   is  less  than 50 mm, e.g. from 0s  to 3.4s and from 8.7s to 10.1s.  It  is  seen  that  the velocity of  the arm angle  changes accordingly and correspondingly to the change of the closest distance  between  the  forearm  link  and  the  obstacle,  as shown  in Figure 16 and Figure 17. The ability of  real‐time autonomous obstacle avoidance is demonstrated.  

  

Figure 15. X‐axis velocity of end effector  

  

Figure  16.  Closest  distance  between  the  forearm  link  and  the obstacle 

7Xin Li, Aiguo Song, Huijun Li, Wei Lu and Chen Mao: Real-Time Obstacle Avoidance for Telerobotic Systems Based on Equipotential Surface

www.intechopen.com

Page 8: Real-Time Obstacle Avoidance for Telerobotic Systems Based on

  

Figure 17. Angular velocity of arm angle  6. Conclusion  The autonomy and real‐time ability of collision avoidance are  the  important  problem  in  the  telerobotic  system. A new approach based on real‐time redundancy resolution of  dexterous  7‐DOF  manipulator  is  developed  and demonstrated  in  this paper. First,  the projection method is  used  to  judge  the  proximity  between  the  link  of manipulator  and  the  obstacle  by  the  real‐time  sensor information.  Then  the  virtual  velocity  at  the  redundant arm  angle  is  employed  to  implement  the  collision avoidance. The  two  supportive  experimental  results  are presented  and  illustrate  the  effectiveness  and  real‐time ability of the proposed method respectively.  7. Acknowledgments  This  work  was  supported  by  Major  Projects  of  the Ministry  of  Education  (No.  708045),  Key  Project  of Jiangsu  Province  Natural  Science  Foundation  (No. BK2010063),  Sci.  and  Tech.  Project  of  Changzhou  (No. CE20100022).  8. References  [1]  V.  J.  Lumelsky  and  E.  Cheung  (1993),  Real‐Time 

Collision Avoidance in Teleoperated Whole‐Sensitive Robot Arm Manipulators,  IEEE Trans. On  Systems, Man and Cybernetics, vol. 23, pp. 194‐203. 

[2]  T.  Kunz,  U.  Reiser, M.  Stilman  and  A.  Verl  (2010), Real‐time Path Planning for a Robot Arm in Changing Environments,  IEEE/RSJ  Intl.  Conf.  on  Intelligent Robots and Systems (IROS 10), pp. 5906‐5911. 

[3]  O. Khatib  (1998), Real‐Time Obstacle Avoidance  for Manipulators  and Mobile Robots, The  International Journal of Robotics Research, pp. 90‐98. 

    

[4]  D.  E.  Koditschek,  Robot  planning  and  control  via Potential Function, The Robotics Review, MIT Press, Cambridge, MA, pp. 349‐367. 

[5]  N. M. Amato, O. B. Bayazit, L. K. Dale, C. Jones and D. Vallejo  (1998), OBPRM: An Obstacle‐based PRM for  3D  workspaces,  In  Proc.  Of  Workshop  on Algorithmic Foundations of Robotics, pp. 155‐168. 

[6]  T. Horsch,  F.  Schwarz,  and H. Tolle  (1994), Motion Planning with Many Degress of Freedom – Random Reflection  at  C‐space  Obstacles,  In  Proc.  Of  IEEE Conf. on Robotics and Automation, pp. 3318‐3323. 

[7]  S.  Quinlan,  O.  Khatib  (1993),  Elastic  Bands: Connecting  Path  Planning  and Control,  In  Proc.  of IEEE  Intl.  Conf.  on  Robotics  and  Automation,  pp. 802‐807. 

[8]  O.  Brock,  O.  Khatib  (2002),  Elastic  Strips:  A Framework  for  Motion  Generation  in  Human Environments, The  International  Journal of Robotics Research, vol. 12, no. 21, pp. 1031‐1052. 

[9]  P. Leven and S. Hutchinson (2002), A Framework for Real‐time Path Planning  in Changing Environments, The  International  Journal of Robotics Research, vol. 21, no. 12, pp. 999‐1030. 

[10] H. Seraji, R. Steele, and R. Ivlev (1996), Sensor‐Based Collision  Avoidance:  Theory  and  Experiment, Journal of Robotic Systems, vol. 13, no. 9, pp. 571‐586. 

[11] H.  Seraji,  B.  Bon,  R,  Steele  (1997),  Experiments  in Real‐Time Collision Avoidance for Dexterous 7‐DOF Arms,  Proc.  of  IEEE  Intl.  Conf.  on  Robotics  and Automation, pp. 569‐574. 

[12] H.  Seraji,  B.  Bon  (1999),  Real‐Time  Collision Avoidance  for  Position‐  Controlled  Manipulators, IEEE Transactions On Robotics and Automation, vol. 15, no. 4, pp. 670‐677. 

[13] H. Seraji (1989), Configuration Control of Redundant Manipulators:  Theory  and  Implementation,  IEEE Transactions On Robotics and Automation, vol. 5, no. 4, pp. 472‐490. 

[14] W.  Yu,  R.  Alqasemi,  R.  Dubey  and  N.  Pernalete (2005), Telemanipulation Assistance Based on Motion Intention Recognition, In Proc. Intl. Conf. on Robotics and  Automation,  ICRA’05,  Barcelona,  Spain,  pp. 1121‐1126. 

[15] H.  Li  and  A.  Song  (2007),  Virtual‐Environment Modeling  and  Correction  for  Force‐Reflecting Teleoperation  With  Time  Delay,  IEEE  Trans.  Ind. Electron., vol. 54, no. 2, pp. 1227‐1233. 

[16] M. K. Long (1992), Task‐Directed Inverse Kinematics for  Redundant Manipulators,  Journal  of  Intelligent and Robotic Systems, vol. 6, pp. 241‐261 

    

8 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 71:2012 www.intechopen.com