Robotic handling of liquids with spilling avoidance : a constraint-based control approach

Continuous evolution of the current industrial scenario forces companies to be more and more competitive. Therefore, efficiency, flexibility and cost reduction in manufacturing processes are key aspects for success. Advancements in industrial robotics are providing companies with powerful tools that can be applied in several areas to achieve the aforementioned objectives. One of those is the task of handling liquids with spilling avoidance, which is a topic of interest for a broad range of fields, both in industry and in service robotics applications. This thesis presents a new control architecture to tackle the problem of liquid transfer with sloshing control. Specifically, a constraint-based open loop controller that works online is developed. The result is an efficient, non-invasive and cost-effective solution that has been tested on a real robotic system. The controller generates trajectories in real time, then control commands are computed at each time instant in order to follow the reference while being compliant to task constraints, such as the spilling avoidance one. Sloshing information to the controller come from a model of sloshing dynamics, whereas a depth camera has been used to retrieve measurements of liquid slosh during experiments in order to validate the control algorithm.

La continua evoluzione del panorama industriale spinge le aziende ad essere sempre più competitive. Per questo motivo l’efficienza, la flessibilità e la riduzione dei costi sono aspetti chiave per il successo. Gli avanzamenti nel campo della robotica industriale forniscono alle aziende strumenti che possono essere sfruttati in diversi ambiti di applicazione per raggiungere questi obiettivi. Uno di questi è la movimentazione sicura dei liquidi, che è un problema di interesse per un ampio spettro di campi, sia nell’industria che in applicazioni di robotica di servizio. Questo elaborato presenta un nuovo schema di controllo per affrontare il problema del trasporto di liquidi con controllo dello sloshing, ovvero l’oscillazione della superficie libera del liquido. In particolare, si è sviluppato un controllore in linea e ad anello aperto basato sulla teoria del controllo vincolato. Il risultato è una soluzione efficiente, non invasiva e non costosa che è stata poi testata su un reale sistema robotico. Il controllore genera le traiettorie in tempo reale, quindi le variabili di comando sono calcolate ad ogni istante di tempo in modo da seguire il riferimento e contemporaneamente soddisfare i vincoli, come quello di evitare il versamento del liquido. Le informazioni sull’oscillazione della superficie liquida arrivano al controllore da un modello delle dinamiche del fluido, mentre un sensore di profondità è stato usato per misurare l’angolo durante gli esperimenti condotti in modo da poter validare l’algoritmo di controllo.