Analisi di stabilità dell'interazione uomo-robot nelle operazioni collaborative di manual guidance

This thesis deals with safety in robotic cells during manual guidance tasks and is focused on the tuning of the admittance controller in such a way that the stability of the human-robot interaction is ensured. The objective of the first part of this work is the formulation and the analysis of a human arm model including its postural and neuromuscular characteristics. Then, after an analysis of the simplified model of human-robot system, the Lur'e problem has been chosen to analyse the stability using the Circle Criterion as a tool to address this problem. The Circle Criterion has been developed in a numerical algorithm, which can automatically generate the admittance control gains ensuring the stability of the human-robot interaction. The method has been validated firstly on the human-robot system considering a non-compliant robot model, then a model with joint/link compliance has been introduced performing the analysis of the equivalent stiffness and mass of the manipulator in its working space. A final validation of the effectiveness of the proposed method has been done by simulation using a more complex model of the robot and of the human arm. The model of the human arm has been experimentally validated using a set up coming from the literature. Finally, the impedance filter, designed with the proposed method (using the experimental human arm impedance experimental model) has been applied in a further experimental phase, which consisted in simple manual guidance tasks, obtaining good results in both safety and performance, as well.

Con il seguente lavoro di tesi si affronta il problema della sicurezza nelle applicazioni collaborative di manual guidance agendo principalmente sulla progettazione del controllo di ammettenza. Per tale progettazione è stata necessaria l'analisi di stabilità del sistema uomo-robot, un sistema fortemente non lineare, soprattutto a causa della presenza umana. La prima parte del lavoro si è concentrata sulla costruzione di un modello dinamico del braccio umano, dipendente dalla postura/posizione e dai fattori neuro-muscolari che più condizionano la stabilità dell'interazione uomo-robot. A partire dal modello del braccio è stato scelto lo strumento di analisi per sistemi non-lineari che meglio potesse risolvere il problema di stabilità in studio: si è optato per il criterio del cerchio, una soluzione del problema di Lur'e. A partire dalle nozioni teoriche del problema di Lur'e è stato formulato un algoritmo che, basandosi sulle non-linearità del braccio, genera dei guadagni del controllo di ammettenza tali da rendere il sistema uomo-robot assolutamente stabile. Questo algoritmo è stato prima implementato in un sistema semplificato che trascura la cedevolezza del manipolatore, non più omessa nella fase successiva: a partire dai dati sperimentali ottenuti in lavori di tesi precedenti, è quindi seguita l'analisi dell'andamento della cedevolezza e della massa equivalente all'end effector del robot. Una volta progettato il controllo di impedenza col metodo proposto, è stata fatta una prima analisi di stabilità sul sistema linearizzato; successivamente sono state fatte altre verifiche in ambiente di simulazione, prima utilizzando modelli semplificati del robot, poi utilizzando un modello più avanzato e completo per la validazione finale del metodo. Successivamente, il modello scelto del braccio è stato validato sperimentalmente seguendo le medesime procedure descritte negli esperimenti precedenti, ottenendo risultati conformi con quelli reperiti in letteratura. Il controllo di ammettenza, progettato col metodo proposto dal nuovo modello sperimentale del braccio, è stato infine applicato e validato sperimentalmente eseguendo alcune semplici operazioni di manual guidance.