Controllo di forza mediante ottimizzazione vincolata per un manipolatore robotico industriale

This thesis is part of the research in implicit force control for industrial robots. The work aims at exploiting the capability of a contraint-based optimization strategy to improve closed-loop performance with respect to a classical force control. A Quadratic Programming (QP) which performs an integral action and includes a force-based constraint is implemented. Such control strategy avoids the occurrence of force overshoots or instability even for high integral gains and so it allows the minimization of the settling time to the force reference. With a view to a possible industrial application for machining, motion generation and hybrid force/position control algorithms are also implemented as contraint-based optimizations, in order to regulate all the phases of a complete work cycle: approach to the object, force control and constrained motion along the surface. A finite-state machine is built to include these algorithms and regulate the transition between the phases. The control strategy is first validated on a complete robot simulator developed in Simulink and subsequently applied to a Smart Six COMAU industrial robot.

La presente tesi si inserisce nell'ambito di ricerca riguardante il controllo di forza implicito nella robotica industriale. L'obiettivo è di esplorare le capacità di una strategia di controllo mediante ottimizzazione vincolata, con lo scopo di migliorare le prestazioni rispetto al controllo classico. A tale proposito si definisce un problema di programmazione quadratica, che implementa un'azione integrale sull'errore di forza a cui viene imposto un vincolo legato al riferimento della forza stessa. Questo evita il verificarsi di sovraelongazioni o instabilità anche per valori del guadagno integrale elevati e quindi permette di minimizzare il tempo di assestamento al riferimento. Inoltre, in vista di una possibile applicazione in ambito industriale per lo svolgimento della lavorazione meccanica di un pezzo, si concepiscono opportuni problemi di ottimizzazione vincolata che implementano il controllo di posizione ed il controllo ibrido forza/posizione, rispettivamente per le fasi di avvicinamento e movimento lungo la superficie con forza di contatto imposta. Una macchina a stati regola la transizione tra una fase e l'altra. In questo modo si ottiene un algoritmo in grado di controllare il robot durante l'intera lavorazione. Una volta testati mediante l'uso di un simulatore completo sviluppato in ambiente Simulink, gli algoritmi di controllo vengono applicati al robot antropomorfo Smart Six di COMAU.