Collision detection of a robotic arm using statistical time-series methods : a comparative study

This study explores the detection of collisions on a collaborative robotic arm (cobot) under different Case Studies that correspond to distinct robotic tasks using statistical time-series methods. The collisions cause abrupt changes in the investigated torque and force signals acquired from the test...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Ζησόπουλος, Σπυρίδων
Άλλοι συγγραφείς: Zisopoulos, Spyridon
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2022
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/16539
id nemertes-10889-16539
record_format dspace
spelling nemertes-10889-165392022-09-05T14:10:25Z Collision detection of a robotic arm using statistical time-series methods : a comparative study Ανίχνευση σύγκρουσης ρομποτικού βραχίονα βάσει στατιστικών μεθόδων χρονοσειρών : συγκριτική μελέτη Ζησόπουλος, Σπυρίδων Zisopoulos, Spyridon Collision detection Statistical time-series methods Comparative study Robotic arms Ανίχνευση σύγκρουσης Στατιστικές μέθοδοι χρονοσειρών Συγκριτική μελέτη Ρομποτικός βραχίονας This study explores the detection of collisions on a collaborative robotic arm (cobot) under different Case Studies that correspond to distinct robotic tasks using statistical time-series methods. The collisions cause abrupt changes in the investigated torque and force signals acquired from the test rig, and two unsupervised and one supervised method are postulated for the effective and early detection of them. The postulated methods are three, namely the variance-based, the wavelet-based (supervised) and the RAR model-based, which are comparatively assessed with each other, as well as with two state-of-the-art methods, namely the residual-based and the FFT-based (supervised), in terms of True Positive Rate (TPR), False Positive Rate (FPR) and Detection Delay Time (DDT). The three case studies investigated are based on the measurements and the results of previous works that use the same KUKA LWR4+ robotic arm and they include either the autonomous motion of the robot in the first two Case Studies or the physical collaboration between the human and robot in the third Case Study. The collisions are of different nature along the different Case Studies, with varying magnitude and direction. The results indicate great TPR via all three postulated methods, that outperform the state-of-the-art ones, while all methods have zero FPR. Regarding detection time, each method has better performance in a different Case Study, with the RAR model-based being the fastest overall, followed by the wavelet-based and then the variance-based one. Στην παρούσα διπλωματική εργασία διερευνάται η δυνατότητα ανίχνευσης σύγκρουσης ενός συνεργατικού ρομποτικού βραχίονα για τρεις διαφορετικές τροχιές που αντιστοιχούν σε διαφορετικές ρομποτικές διεργασίες βάσει στατιστικών μεθόδων χρονοσειρών. Οι συγκρούσεις προκαλούν απότομες μεταβολές στα σήματα ροπής και δύναμης τα οποία λαμβάνονται από την πειραματική διάταξη και τρεις μέθοδοι εφαρμόζονται για την αποτελεσματική και έγκαιρη ανίχνευσή τους. Οι τρεις προτεινόμενες μέθοδοι είναι η μέθοδος διασποράς (variance-based), η μέθοδος κυματιδίων (wavelet-based) και η μέθοδος Αναδρομικού μοντέλου Αυτοπαλινδρόμησης (Recursive AutoRegressive, RAR model-based), οι οποίες συγκρίνονται σύμφωνα με το ποσοστό ανίχνευσης, το ποσοστό ψευδοσυναγερμών και τον χρόνο ανίχνευσης τόσο μεταξύ τους όσο και με δύο μεθόδους της βιβλιογραφίας. Αυτές είναι η μέθοδος βασιζόμενη στο υπόλοιπο ροπής (residual-based) και η μέθοδος βασιζόμενη στον μετασχηματισμό Fourier (FFT-based). Οι τρεις τροχιές που διερευνώνται βασίζονται στις μετρήσεις και τα αποτελέσματα προηγούμενων εργασιών που πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας τον ίδιο ρομποτικό βραχίονα KUKA LWR4+ και περιλαμβάνουν είτε την ελεύθερη και αυτόνομη κίνηση του ρομπότ για τις δύο πρώτες τροχιές, είτε τη φυσική συνεργασία μεταξύ ανθρώπου και ρομπότ στην τρίτη τροχιά. Οι συγκρούσεις που πραγματοποιούνται είναι διαφορετικής φύσεως σε κάθε τροχιά, καθώς έχουν διαφορετική ένταση και κατεύθυνση, ενώ συμβαίνουν και σε διαφορετικά σημεία του ρομπότ. Οι τρεις προτεινόμενες μέθοδοι επιτυγχάνουν εξαιρετικά υψηλό ποσοστό ανίχνευσης, ξεπερνώντας τις μεθόδους της βιβλιογραφίας, ενώ όλες οι μέθοδοι έχουν μηδενικό ποσοστό ψευδοσυναγερμών. Όσον αφορά στον χρόνο ανίχνευσης η κάθε μέθοδος αποδίδει καλύτερα σε διαφορετική τροχιά, με τη μέθοδο Αναδρομικού μοντέλου Αυτοπαλινδρόμησης (RAR model-based) μέθοδο να έχει συνολικά το χαμηλότερο χρόνο ανίχνευσης. Ακολουθεί η μέθοδος κυματιδίων (wavelet-based) και τέλος η μέθοδος διασποράς (variance-based). 2022-07-18T05:21:04Z 2022-07-18T05:21:04Z 2021-07-15 http://hdl.handle.net/10889/16539 en application/pdf
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Collision detection
Statistical time-series methods
Comparative study
Robotic arms
Ανίχνευση σύγκρουσης
Στατιστικές μέθοδοι χρονοσειρών
Συγκριτική μελέτη
Ρομποτικός βραχίονας
spellingShingle Collision detection
Statistical time-series methods
Comparative study
Robotic arms
Ανίχνευση σύγκρουσης
Στατιστικές μέθοδοι χρονοσειρών
Συγκριτική μελέτη
Ρομποτικός βραχίονας
Ζησόπουλος, Σπυρίδων
Collision detection of a robotic arm using statistical time-series methods : a comparative study
description This study explores the detection of collisions on a collaborative robotic arm (cobot) under different Case Studies that correspond to distinct robotic tasks using statistical time-series methods. The collisions cause abrupt changes in the investigated torque and force signals acquired from the test rig, and two unsupervised and one supervised method are postulated for the effective and early detection of them. The postulated methods are three, namely the variance-based, the wavelet-based (supervised) and the RAR model-based, which are comparatively assessed with each other, as well as with two state-of-the-art methods, namely the residual-based and the FFT-based (supervised), in terms of True Positive Rate (TPR), False Positive Rate (FPR) and Detection Delay Time (DDT). The three case studies investigated are based on the measurements and the results of previous works that use the same KUKA LWR4+ robotic arm and they include either the autonomous motion of the robot in the first two Case Studies or the physical collaboration between the human and robot in the third Case Study. The collisions are of different nature along the different Case Studies, with varying magnitude and direction. The results indicate great TPR via all three postulated methods, that outperform the state-of-the-art ones, while all methods have zero FPR. Regarding detection time, each method has better performance in a different Case Study, with the RAR model-based being the fastest overall, followed by the wavelet-based and then the variance-based one.
author2 Zisopoulos, Spyridon
author_facet Zisopoulos, Spyridon
Ζησόπουλος, Σπυρίδων
author Ζησόπουλος, Σπυρίδων
author_sort Ζησόπουλος, Σπυρίδων
title Collision detection of a robotic arm using statistical time-series methods : a comparative study
title_short Collision detection of a robotic arm using statistical time-series methods : a comparative study
title_full Collision detection of a robotic arm using statistical time-series methods : a comparative study
title_fullStr Collision detection of a robotic arm using statistical time-series methods : a comparative study
title_full_unstemmed Collision detection of a robotic arm using statistical time-series methods : a comparative study
title_sort collision detection of a robotic arm using statistical time-series methods : a comparative study
publishDate 2022
url http://hdl.handle.net/10889/16539
work_keys_str_mv AT zēsopoulosspyridōn collisiondetectionofaroboticarmusingstatisticaltimeseriesmethodsacomparativestudy
AT zēsopoulosspyridōn anichneusēsynkrousēsrompotikoubrachionabaseistatistikōnmethodōnchronoseirōnsynkritikēmeletē
_version_ 1771297217173258240