Strategie di regolazione della forza per manipolatori controllati in impedenza. Modellazione e sperimentazione

In this Thesis compliant motion control topics are discussed for manipulators. Impedance control is used to control the manipulator in contact with a (partially) unknown environment. State of the art was analyzed. A dynamic model of the closed-loop robot-environment system was validated in order to develop a model based control logic. An adaptative force control strategy has been developed, based on the optimal control theory, that regulates the underlying impedance control parameters according to the on-line estimate of the environmental stiffness and damping. The adaptability of the control allowed to obtain a stable interaction despite the variable working conditions. In particular, it has been pursued the objective of obtaining a force responce that presents no overshoot with respect to the desired reference. The validated model has been used for off-line simulating the coupled system and design the control strategies. In particular, the realistic model has proven to be essential in deriving the optimal control paramaters, tune the robot velocities and test a variety of environmental stiffness conditions. Then an optimization of the manipulator approaching velocity has been carried out taking into account different stiffnesses of the environment. This allows to improove the force-tracking during the transition between the free-space motion and the constrained motion. The obtained velocity becomes the input for the controller used during the approaching motion. The used platform involves the control software framework and the KUKA LWR available at the Institute of Industrial Technologies and Automation (ITIA) of the National Research Council (CNR) where the modeling and experimetal activities have been carried out in the domain of robot-machining. The lightweight manipulator is the KUKA LightWeight Robot, next-generation lightweight robot designed to meet the requirements of controlled stiffness and interaction with users. The native impedance control implemented on the robot allows to obtain dynamically decoupled control along task-space directions, on top of which user-defined control strategies can contribute to a global task execution. In this way it is possible to control the force in the contact direction and position in the plane parallel to the surface, independently. The persistent limitation of overshoots has been verified experimentally in different stiffness setups, demonstrating the validity of the force-tracking impedance approach.

Nella presente Tesi sono trattati gli aspetti caratterizzanti il compliant motion control di robot antropomorfi controllati in impedenza, in presenza di un ambiente (parzialmente) non noto geometricamente e meccanicamente. Viene analizzato lo stato dell'arte e validato un modello dinamico globale che considera l'accoppiamento del sistema robot controllato in impedenza con l'ambiente. Più nel dettaglio viene sviluppata una strategia di controllo della forza di interazione tra manipolatore e ambiente, basata sulla teoria del controllo ottimo, che adatta i parametri di impedenza in linea sulla base delle stime di rigidezza e smorzamento ambientali, ottenute attraverso uno stimatore. La capacità del controllo di adattare i suoi parametri ha consentito di ottenere un'interazione stabile al variare delle condizioni locali di lavoro. In particolare è stato perseguito l'obiettivo di ottenere un andamento della forza scambiata che non presenti overshoot rispetto al valore di riferimento desiderato, in modo da limitare il più possibile il rischio di danneggiamenti. Per la derivazione della logica di controllo model based è stato sviluppato un modello del sistema robot-ambiente che consente di avere fuori linea una simulazione del comportamento dinamico del sistema controllato al variare delle rigidezze della superficie di contatto. Successivamente è stata svolta un'ottimizzazione della velocità di avvicinamento del manipolatore al variare della rigidezza dell'ambiente, al fine di migliorare il tracking di forza durante la transizione tra moto nello spazio libero e moto nello spazio vincolato. La velocità ottenuta diventa input del controllore sviluppato per il moto nelle fasi di avvicinamento. La piattaforma utilizzata comprende il framework di controllo e il robot KUKA LWR dell'Istituto di Tecnologie Industriali ed Automazione (ITIA) del CNR, presso il quale è stata svolta l'attività di modellazione e sperimentazione nell'ambito del robot-machining. Il manipolatore a disposizione è un robot leggero, sviluppato per soddisfare i requisiti richiesti di cedevolezza controllata e per realizzare un'interazione con utenti. Il controllo nativo di impedenza presente su tale piattaforma consente un disaccoppiamento dei gradi di libertà che permettono il controllo indipendente di forza nella direzione del contatto e posizione nel piano parallelo alla superficie. I risultati ottenuti dall'implementazione degli algoritmi sviluppati mostrano un effettivo adattamento del comportamento dinamico del robot controllato alle caratteristiche locali di contatto. È stata inoltre verificata sperimentalmente l'efficacia del controllo nel limitare gli overshoot di forza al variare della rigidezza dell'ambiente.