On the design and control of a cooperative manipulator for heavy industrial tasks

Bringing empowering robotic solutions into the industrial workplace is an important automation trend involving many industrial scenarios (such as aerospace industry, automotive industry). The augmentation of the capabilities of workers involved in onerous activities is required (because of their task demands and working conditions) to reduce/limit risk factors that increase their likelihood of developing musculoskeletal disorders (MSDs) or exacerbating existing musculoskeletal disorder symptoms. Em- powering robotics solutions can be applied in many work environments where manual handling activities are required. Additionally to reduce the burden on workers’ health, such systems may also allow to increase production efficiency. In fact, empowering robotic solutions can allow to manipulate big-dimensions and heavy components by a reduced number of operators (a single human operator executing such applications is the target), also improving the ergonomics of the operation execution. Beside wearable robotics, industrial lightweight manipulators are common solu- tions adopted to empower a human operator executing onerous tasks, since they allow a safe interaction with a human operator achieving a compliant behaviour at hardware and software level. In this scenario the thesis describes the mechanical design and control of an as- sistive lightweight manipulator with low installed power and able to carry out heavy lifting tasks. The manipulator is mounted on a vertical support structure behind the back of the operator, that makes the robot work in a plane parallel to the human operator’s sagittal plane. The support structure is set on a mobile platform that allows for the whole structure to be moved to reach the desired working location. The design of the manipulator involves the mechanical design of an active weight compensation mechanism acting on the shoulder joint, actuated by a Series Elastic Actuator placed on a vertically sliding cart in the support structure. Said compensa- tion mechanism allows to alleviate the load on the shoulder direct drive, which can be selected of a smaller size. The proposed control is modified Passive Velocity Field Control that allows both the safe and stable interaction with the operator, being the controlled system passive with respect to external forces, and the tracking of desired trajectory, even in presence of disturbances, attaining the desired condition of zero steady state error. The control is validated by means of a simulative study on Matlab/Simulink, being the designed machine still in development.

L’inserimento di soluzioni di empowering all’interno dell’ambiente industriale´ e oggetto di interesse di diversi settori, come ad esempio l’automotive o l’aerospaziale. Il poten- ziamento delle capacitá dei lavoratori impiegati in attivit ˜ A onerose ´ e necessario, visti i carichi e le condizioni di lavoro, per ridurre i fattori di rischio che portano allo sviluppo di disturbi muscolo scheletrici o all’aggravarsi di sintomi giá esistenti. Le soluzioni di empowering robotico possono essere applicate in numerosi contesti in cui ´ e richiesta la movimentazione manuale di carichi. Oltre a ridurre il carico gravante sull’operatore, tali sistemi possono anche aumentare la produttivitá del processo. Infatti, le soluzioni di empowering permettono di manovrare componenti pesanti e ingombranti con un numero ridotto di operatori (l’obiettivo ´ e avere un singolo operatore che possa svolgere l’attivitá), allo stesso tempo migliorando l’ergonomia dell’operazione. A parte le soluzioni indossabili, una soluzione comune per l’empowering dell’operatore in applicazioni onerose ´ e rappresentata dai manipolatori industriali lightweight, poich´ e essi sono in grado di garantire un’interazione sicura con l’operatore adottando un comportamento cedevole sia a livello software che hardware. In questo contesto, la presente tesi desscrive la progettazione meccanica e il con- trollo di un manipolatore assistivo con bassa potenza installata e capace di sollevare pezzi pesanti. Il manipolatore ´ e montato su una struttura di supporto verticale po- sizionata dietro la schiena dell’operatore, che permette al robot di lavorare in un piano parallelo al proprio piano sagittale. La struttura di supporto ´ e posizionata su una piattaforma mobile che permette che tutta la struttura possa essere spostata per raggiungere la posizione di lavoro desiderata. La progettazione del manipolatore comprende il design di un sistema di compensazione della gravit ˜ A attivo agente sul giunto spalla, attuato da un Series Elastic Actuator (SEA) , posizionato su un carrello verticale nella truttura di supporto. Tale meccanismo di compensazione permette di alleviare il carico sul motore in presa diretta della spalla, che puó essere dimensionato su un carico inferiore. Il controllo proposto ´ e un Passive Velocity Field Control modificato, che permette un’interazione stabile e sicura con l’operatore, essendo il sistema controllato passivo rispetto a forzanti esterne. Il controllore permette inoltre di fare tracking di traiettorie anche in presenza di disturbi esterni, riuscendo ad ottenere la condizione desiderata di zero errore a steady state. Il controllo ´ e stato verificato per mezzo di uno studio sperimentale condotto in Matlab/Simulink essendo la macchina progettata ancora in fase di sviluppo.