Controllo di forza implicito multi-direzione basato sull'insieme invariante per un manipolatore robotico industriale

This thesis fits the research area of industrial robotics. It focuses on the control of the interaction between the environment and the manipulator. The work aims at extending the implicit force control technique based on the invariant set from one to two directions, to allow the robot to perform more complex tasks such as the precise insertion of a panel inside a frame. This technique avoids the occurrence of force overshoots which are present in the classic control. The admissible set of the state vectors, the constraints on force and position and the invariance functions have been extended to the two-dimensional case. The formal extension of the model of the controller that uses a quadratic optimization technique and its generalization when the environmental frame has a random orientation have been proposed. A Matlab algorithm has been implemented and it contains a state machine that simulates the task of a possible industrial application: approach of the robot towards the surface of a table, motion with invariance force control in one direction to a second surface perpendicular to the one of the table, contact with the second surface, motion with invariance force control in two directions along the cartesian direction not subject to force control. It has been verified with simulation trials that the implemented control maintains the measured forces to their imposed references throughout the task. In the experimental part, an estimator, already developed in previous work, of the whole contact stiffness has been included within the algorithm. It takes into account the stiffness of the environment, of the arms and of the joints of the manipulator. The control technique has been applied and successfully tested to the COMAU Smart Six industrial robot.

La presente tesi si inserisce nel contesto di ricerca della robotica industriale. Ci si concentra sul controllo dell'interazione tra ambiente e manipolatore. L'obiettivo è di estendere la tecnica di controllo di forza implicito basato sull'insieme invariante da una a due direzioni per permettere al robot di svolgere compiti più complessi come per esempio il preciso inserimento di un pannello all'interno di una cornice. Questa tecnica, contrariamente al controllo classico, evita l'occorrenza di sovraelongazioni sulla forza. Dopo aver ridefinito l'insieme di ammissibilità dei vettori di stato, i vincoli di forza e posizione e le funzioni invarianti per il caso bidimensionale, viene proposta l'estensione formale del modello del controllore che fa uso di una tecnica di ottimizzazione quadratica e la sua generalizzazione in presenza di un qualsiasi orientamento della terna ambiente. E' stato implementato in Matlab un algoritmo che contiene una macchina a stati che simula il task di una possibile applicazione in ambito industriale: discesa del robot verso la superficie di un tavolo, movimento con controllo di forza ad insiemi invarianti in una direzione verso una seconda superficie perpendicolare a quella del tavolo, contatto con la seconda superficie, movimento con controllo di forza ad insiemi invarianti in due direzioni lungo la direzione cartesiana restante non soggetta a controllo di forza. E' stato verificato mediante prove di simulazione che il controllo sviluppato mantiene le forze misurate ai riferimenti stabiliti durante tutto il task. Nella fase sperimentale viene inserito all'interno dell'algoritmo di controllo uno stimatore, già sviluppato in lavori precedenti, delle rigidezze del contatto che includono quelle dell'ambiente, quelle dei bracci e quelle dei giunti del robot. La tecnica di controllo è stata applicata e testata con successo sul robot industriale antropomorfo COMAU Smart Six.