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Robust Nonlinear Model Predictive Control for the Trajectory Tracking of Skid-Steer Mobile Manipulators with Wheel–Ground Interactions
Indexado
WoS WOS:001384535900001
Scopus SCOPUS_ID:85213420897
DOI 10.3390/ROBOTICS13120171
Año 2024
Tipo artículo de investigación

Citas Totales

Autores Afiliación Chile

Instituciones Chile

% Participación
Internacional

Autores
Afiliación Extranjera

Instituciones
Extranjeras


Abstract



This paper presents a robust control strategy for trajectory-tracking control of Skid-Steer Mobile Manipulators (SSMMs) using a Robust Nonlinear Model Predictive Control (R-NMPC) approach that minimises trajectory-tracking errors while overcoming model uncertainties and terra-mechanical disturbances. The proposed strategy is aimed at counteracting the effects of disturbances caused by the slip phenomena through the wheel-terrain contact and bidirectional interactions propagated by mechanical coupling between the SSMM base and arm. These interactions are modelled using a coupled nonlinear dynamic framework that integrates bounded uncertainties for the mobile base and arm joints. The model is developed based on principles of full-body energy balance and link torques. Then, a centralized control architecture integrates a nominal NMPC (disturbance-free) and ancillary controller based on Active Disturbance-Rejection Control (ADRC) to strengthen control robustness, operating the full system dynamics as a single robotic body. While the NMPC strategy is responsible for the trajectory-tracking control task, the ADRC leverages an Extended State Observer (ESO) to quantify the impact of external disturbances. Then, the ADRC is devoted to compensating for external disturbances and uncertainties stemming from the model mismatch between the nominal representation and the actual system response. Simulation and field experiments conducted on an assembled Pioneer 3P-AT base and Katana 6M180 robotic arm under terrain constraints demonstrate the effectiveness of the proposed method. Compared to non-robust controllers, the R-NMPC approach significantly reduced trajectory-tracking errors by 79.5% for mobile bases and 42.3% for robot arms. These results highlight the potential to enhance robust performance and resource efficiency in complex navigation conditions.

Revista



Revista ISSN
Robotics 2218-6581

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Disciplinas de Investigación



WOS
Robotics
Scopus
Artificial Intelligence
Control And Optimization
Mechanical Engineering
SciELO
Sin Disciplinas

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Publicaciones WoS (Ediciones: ISSHP, ISTP, AHCI, SSCI, SCI), Scopus, SciELO Chile.

Colaboración Institucional



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Autores - Afiliación



Ord. Autor Género Institución - País
1 Aro, Katherine - Universidad Católica del Norte - Chile
2 Guevara, Leonardo Hombre Lincoln Inst Agrifood Technol - Reino Unido
Lincoln Institute for Agri-Food Technology - Reino Unido
3 TORRES-LEPEZ, MIGUEL ANDRES Hombre Pontificia Universidad Católica de Chile - Chile
4 Torres, Felipe A. Hombre Universidad Católica del Maule - Chile
Universidad Católica del Norte - Chile
5 Prado, Alvaro - Universidad Católica del Norte - Chile

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Financiamiento



Fuente
Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo
National Research and Development Agency
Project Anillo de Investigacion en Ciencia y Tecnologia
ANID (National Research and Development Agency of Chile)
Fondecyt Postodoctorado Grant
Fondecyt Postodoctorado

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Agradecimientos



Agradecimiento
This research was funded by ANID (National Research and Development Agency of Chile) Fondecyt Iniciacion en Investigacion 2023 Grant 11230962, Project Anillo de Investigacion en Ciencia y Tecnologia ACT210052, and Fondecyt Postodoctorado Grant 3230682.
This work has been supported by ANID (National Research and Development Agency of Chile) Fondecyt Iniciaci\u00F3n en Investigaci\u00F3n 2023 Grant 11230962, Project Anillo de Investigaci\u00F3n en Ciencia y Tecnolog\u00EDa ACT210052, and Fondecyt Postodoctorado Grant 3230682.
This work has been supported by ANID (National Research and Development Agency of Chile) Fondecyt Iniciaci\u00F3n en Investigaci\u00F3n 2023 Grant 11230962, Project Anillo de Investigaci\u00F3n en Ciencia y Tecnolog\u00EDa ACT210052, and Fondecyt Postodoctorado Grant 3230682.

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