Whole-Body Loco-Manipulation in Quadruped Robots for Human-Robot Object Handover. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis_g202319450.pdf Restricted to Repository staff only until 12 May 2027. Download (19MB)

Arabic Abstract

يُعد تسليم الأجسام بصورة مستقلة باستخدام روبوتات رباعية القوائم مزوّدة بذراع تلاعب مسألة تفاعل جسم كامل تتطلب تنسيقاً بين الإدراك، وتسلسل المهام، والتخطيط التنبؤي، والتحكم المقيّد، والامتثال الآمن أثناء التماس. تقدّم هذه الرسالة معمارية موحّدة تمتد من الإدراك إلى التحكم لتسليم الأجسام من الإنسان إلى الروبوت، وتتحقق من فعاليتها عبر دراسة متعددة الأحمال. يتكوّن الإطار المقترح من أربع طبقات مترابطة بإحكام. تنفّذ وحدة إدراك RGB-D مثبّتة على القاعدة تحديد موضع الهدف وتتبع وضعيته باستخدام تحويلات TF2 مع متانة مدعومة بالذاكرة عند الاحتجابات المؤقتة. وتدير آلة حالات منتهية (FSM) تسلسل الالتقاط والتسليم كاملاً مع بوابات أمان. ويولّد متحكم تنبؤي للنموذج قائم على ديناميكيات الكتلة المركزية ضمن OCS2 مراجع قابلة للتحقيق لجسم كامل على أفق زمني متراجع. كما يحقق متحكم جسم كامل قائم على البرمجة التربيعية الهرمية إشباعاً ذا أولوية صارمة لقيود التماس والاحتكاك وحدود المشغلات ومعادلات الحركة والأهداف الديكارتية. وخلال مراحل التفاعل، يُدمج تحكم معاوقة ديكارتي مع إدماعية محدودة ومتحكم ملقط محدود القوة ومستشعر قوة/عزم عند الرسغ لتنظيم تماس التسليم وتوقيت التحرير. أُجري التقييم في ROS Noetic وGazebo مع تسجيل زمني متزامن. وتم التحقق من مرحلة الالتقاط في تجربة مستقلة لآلة حالات الالتقاط ذات 9 حالات (1828 عينة، 36.49 ثانية)، حيث كشف الروبوت زجاجة بكتلة 0.5 كجم واقترب منها وأمسكها ثم أطلق إشارة بدء التسليم عبر /handover/start. أما تجربة التسليم المصححة عند حمولة 0.5 كجم فاحتوت 1839 عينة خلال 36.76 ثانية، ونفّذت التسلسل الكامل النشط لآلة الحالات حتى حالة Done. وفي هذه الحالة المرجعية بلغ متوسط استغلال عزم الذراع 15.9% مع ذروة عابرة مقدارها 1.0 أثناء انتقال قصير، وبلغ متوسط جذر متوسط مربعات لجهد الساق 10.79 نيوتن.متر، وبلغت ذروة فرق القوة 29.34 نيوتن، مع متوسط ثقة كشف يساوي 0.893. يقارن معيار الأحمال المتعددة المصحح أربع سجلات تمثيلية للأحمال: 0.5، و1.0، و1.2، و1.5 كجم. وتصل حالات 0.5 و1.0 و1.2 كجم جميعها إلى مرحلة Release، بينما لا تغادر حالة 1.5 كجم حالة Compliant Place. وعبر المجال الذي حقق تحريراً ناجحاً، يرتفع متوسط جهد الذراع (RMS) من 5.35 إلى 7.48 نيوتن.متر، ويرتفع متوسط استغلال عزم الذراع من 0.159 إلى 0.217، في حين يبقى متوسط جهد الساق شبه ثابت ضمن النطاق 10.44 إلى 10.86 نيوتن.متر. كما يتغيّر موضع الاختناق مع زيادة الحمل: فتجربة 1.0 كجم يهيمن عليها انتظار المستقبل، وتجربة 1.2 كجم يهيمن عليها طور Clearance، أما حالة 1.5 كجم الحدّية فتبقى في مرحلة Compliant Place لمدة 73.84 ثانية من دون كشف انتقال الحمل أو تصريح التحرير. تُظهر هذه النتائج أن التسليم الموثوق في الروبوتات رباعية القوائم يتحقق عبر تكامل منظومي عابر للطبقات، وليس عبر ضبط كل وحدة بمعزل عن الأخرى، كما تُظهر أن قابلية التوسع مع الحمل تحدّها اختناقات انتقالية على مستوى المراحل بين التموضع والتحرير. وتقدّم الرسالة معمارية قابلة للتنفيذ، ومنهجية معيارية قابلة لإعادة الإنتاج تراعي تلوين حالات آلة الحالات، وتفسيراً تشخيصياً مصححاً يميّز بين حدّ التحرير الناجح وبين حالة حدّية يتعثر فيها الروبوت في مرحلة التموضع المتوافق.

English Abstract

Autonomous object handover with quadruped manipulators is a whole-body interaction problem that requires coordinated perception, task sequencing, predictive planning, constrained control, and contact-safe compliance. This thesis presents a unified perception-to-control architecture for human-to-robot handover and validates it through a multi-payload study. The framework integrates four tightly coupled layers. A base-mounted RGB-D perception module performs target localisation and pose tracking using TF2 frame propagation with memory-assisted robustness under temporary occlusions. A finite state machine (FSM) governs the complete pick-and-handover sequence with safety gates. OCS2-based centroidal model predictive control generates feasible whole-body references over a receding horizon. A hierarchical quadratic-programming whole-body controller enforces strict-priority constraints on contact, friction, actuator limits, equations of motion, and Cartesian tasks. During interaction phases, Cartesian impedance with bounded admittance, a force-limited gripper controller, and a wrist force/torque sensor are combined to regulate transfer contact and release timing. Evaluation is conducted in ROS Noetic and Gazebo with synchronised logging. The pick phase is validated in a dedicated 9-state Pick FSM trial (1,828 samples, 36.49s), where the robot detects, approaches, and grasps a 0.5kg bottle, then triggers handover through (/handover/start). The corrected 0.5kg handover trial contains 1,839 samples over 36.76 s and executes the full active FSM sequence through Done. In this baseline run, mean arm torque utilisation is 15.9% with a brief peak of 1.0 during a transition transient, mean leg effort RMS is 10.79Nm, peak force-delta is 29.34 N, and mean detection confidence is c=0.893. The corrected multi-payload benchmark compares four representative payload logs: 0.5 kg, 1.0 kg, 1.2 kg, and 1.5 kg. The 0.5 kg, 1.0 kg, and 1.2 kg cases all progress to Release, whereas the 1.5 kg case never exits Compliant_Place. Over the successful release range, mean arm effort RMS increases from 5.35 Nm to 7.48 Nm and mean arm torque utilisation rises from 0.159 to 0.217, while mean leg effort remains nearly invariant (10.44-10.86 Nm). The dominant bottleneck also shifts with payload: the 1.0 kg trial is receiver-wait dominated, the 1.2 kg trial is clearance-dominated, and the 1.5 kg boundary case remains in Compliant_Place for 73.84s with no load-transfer detection and no release authorization. These results show that reliable quadruped handover is achieved through cross-layer systems integration rather than isolated module tuning, but they also show that scalability is limited by phase-level progression bottlenecks in the placement-to-release interface. The thesis contributes an implementable architecture, a reproducible state-aware benchmark methodology, and a corrected diagnostic interpretation that distinguishes successful release capacity from a boundary placement failure.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Systems Engineering Research
Department:	College of Engineering and Physics > Control and Instrumentation Engineering
Thesis Advisor:	Muhammad Faizan Mysorewala,
Thesis Committee Members:	Sami El-ferik, Ramy Rashad,
Depositing User:	MD HAFIZUR RAHMAN (g202319450)
Date Deposited:	12 May 2026 11:15
Last Modified:	12 May 2026 11:15
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144243