Development and evaluation of a new haptic interface for the coordinated control of earthmoving machine

The Human-Machine Interfaces (HMIs) play an essential role in establishing the usability of an entire mechanical system, meaning efficiency, efficacy and user's satisfaction in order to reach a specific purpose (ISO 9241). In the field of earthmoving machines, the user experiences a remarkable initial effort in order to obtain enough fluency and confidence in movements, due to the employment of input devices without feedback and with control convention difficult to remember due to the mismatch of motion between the controller and controlled group. Currently the control of a hydraulic arm is possible thanks to the employment of two joystick, whose direction and inclination degree define the independent activation of each hydraulic piston. This aspect has a considerable impact also on the business administration, with an increase in the cost of both training and qualified labour. In recent years, many research activities were undertaken with the aim of developing innovative devices and more sophisticated control typologies. These innovations have the purpose of facilitating the psychomotor requests for the user and therefore reducing the gradient of the necessary learning curve. Moreover, it has been proved and demonstrated that the feedback of signals of different nature, like auditory, visual and especially tactile, guarantees a remarkable improvement in the excavator’s usage perception and its interaction with the external environment. This thesis starts exactly from the previous assumptions, with the purpose of developing, testing and therefore validating a new system for the coordinated control of a hydraulic excavator. First of all an analysis of the current usage conditions was made, without omitting the determination of the necessary kinematic and dynamic parameters. Successively two new control logic were developed, based on the kinematic equations of the actuated joints: the user interacts directly with the end-effector, managing position or speed, without worrying about the motion of single links. On this basis two new devices were designed, that can be used simultaneously for the excavator’s complete control. The main one, which is haptic type, has three degrees of freedom and it is employed to control every joint powered by hydraulic pistons; the second one, also called auxiliary, is used to communicate the utilization information and for the cabin’s revolution motion. To verify and validate the hypothesis made a virtual environment was developed using a 3D graphic engine, where particular use conditions of the excavator are recreated. The main device’s simulation is left to an haptic device with an impedance control and three degrees of freedom, enough to reproduce the plane motion of the coordinated control. On the other hand, the auxiliary device was physically realized, even if simplified, using a microcontroller board. The final part of this work is characterized by the test phase in which different goals to reach were assigned, using a sample of users without previous experiences in earthmoving machines control. Simulations, organized so that repeatability is ensured, are made using both lever input devices and those based on a coordinate control scheme. The exportation of measurable parameters such as position, velocity and forces allowed the objective validation of the effectiveness of the studied device, whereas the filling of questionnaires analysed the most subjective part of the simulation such as the feelings, opinions and suggestions of the users.

Le interfacce di interazione tra uomo e macchina (HMIs) giocano un ruolo decisivo nel determinare l'usabilità di un intero sistema meccanico, intesa come efficienza, efficacia e soddisfazione dell'utente per ottenere uno specifico scopo (ISO 9241). Nell'ambito delle macchine pesanti per la movimentazione di terra, c'è una notevole difficoltà iniziale degli addetti ad ottenere una sufficiente fluidità e sicurezza nei movimenti a causa dell'utilizzo di dispositivi di input senza alcun tipo di feedback e con convenzioni di controllo difficilmente memorizzabili per la discordanza di moto tra controllore e gruppo controllato. Attualmente il controllo di un braccio idraulico è reso possibile grazie all'impiego di due joystick, la cui direzione e grado di inclinazione determina l'attuazione indipendente di ciascun pistone idraulico. Questo aspetto si ripercuote anche dal punto di vista dell'economia aziendale con un incremento dei costi di formazione e di manodopera qualificata. Negli ultimi anni sono state intraprese numerose attività di ricerca per lo sviluppo di device innovativi e di tipologie di controllo più sofisticate atte a semplificare le richieste psicomotorie per l'utente e quindi a ridurre la pendenza della curva di apprendimento necessaria. Inoltre, è stato provato e dimostrato come la retroazione di segnali di diversa natura, sonori, visivi e soprattutto tattili, garantisca un notevole miglioramento nella percezione d'uso dell'escavatore rispetto all'ambiente esterno. Questo lavoro di tesi parte proprio dalle assunzioni precedenti, con l'obbiettivo di sviluppare, testare e quindi validare un nuovo sistema per il controllo coordinato di un escavatore idraulico. Innanzitutto è stata eseguita un'analisi delle attuali condizioni di utilizzo senza trascurare la determinazione dei parametri cinematici e dinamici necessari. Successivamente sono state sviluppate due nuove logiche di controllo basate sulle equazioni cinematiche dei giunti attuati: l'utente interagisce direttamente con l'end-effector gestendone la posizione o la velocità, senza preoccuparsi del moto dei singoli bracci. Su questa base sono stati progettati due nuovi device che possono essere utilizzati simultaneamente per il controllo completo dell'escavatore. Il principale, di tipo aptico, possiede tre gradi di libertà ed è impiegato per il controllo di tutti i giunti azionati con pistoni idraulici. Il secondo, o ausiliario, è utilizzato per comunicare le informazioni di utilizzo e per il moto di rivoluzione della cabina. Per la verifica e quindi la validazione delle ipotesi fatte, è stato sviluppato un ambiente virtuale utilizzando un motore grafico 3D in cui vengono ricreate particolari condizioni di utilizzo degli escavatori. La simulazione del device principale è affidata ad un dispositivo aptico a controllo di impedenza con tre gradi di libertà, sufficienti per riprodurre il moto nel piano di un controllo coordinato. Il device ausiliario è invece stato realizzato fisicamente, seppur in maniera semplificata, attraverso l'impiego di una scheda elettronica dotata di un microcontrollore. La parte terminale del lavoro è caratterizzata dalla fase di test in cui, utilizzando un campione di utenti senza precedenti esperienze nell'utilizzo di macchine per la movimentazione di terra, sono stati assegnati differenti obbiettivi da raggiungere. Le simulazioni, organizzate in modo tale da garantirne la ripetibilità, vengono effettuate utilizzando sia i dispositivi di input a leve che quelli a controllo coordinato. L'esportazione di parametri misurabili, quali posizione, velocità e forze, ha permesso la validazione in maniera oggettiva dell'efficacia dei device in oggetto di studio, mentre la compilazione di questionari appositi ha analizzato la parte più soggettiva della simulazione come la le sensazioni, le opinioni e i suggerimenti degli utenti.