Novel contributions to robot force control for industrial manipulators

Control of robot interaction with the environment, generally referred to as robot force control, is required to face the inadequacy of pure motion control for the successful execution of those robot tasks involving contact with a surface. Widely popular since the early 1980s, research on force control algorithms employing a conventional single arm robot has gradually lost its appeal during the last decade, despite the growing employment of robots in finishing and machining operations would strongly benefit from increased controllers’ performance. At the same time, the recent diffusion of new industrial robotic platforms, like dual-arm light-weight robots, has driven research on robot force control towards the execution of complex and dexterous robotic tasks, such as bimanual automated assembly. This thesis provides contributions in two main areas of robot force control: performance improvement in implicit force control (an implementation of hybrid force-motion control for position controlled robots) for traditional industrial manipulators and force controlled bimanual assembly based on trajectory generation for lightweight dual-arm robots. Force regulation with improved settling performance and absence of force overshoots is achieved by presenting a constrained control approach related to the ideas of invariance control, which is subsequently applied to the implicit robot force control problem. Controller robustness to compliance uncertainties is further addressed. Deterioration of force controller performance connected to environment modeling and identification is prevented by employing a data-driven control design approach. An on-line implementation of the controller identification problem is presented, while an outer Model Predictive Controller (MPC) acting as command governor is introduced to further enhance the closed-loop performance. When a dual-arm lightweight robot is used to perform parts assembly, force controlled bimanual assembly can be treated as a trajectory generation control problem fulfilling force control requirements. A constraint-based trajectory generation framework is exploited for this purpose, while estimation of the interaction force enables sensorless execution of the assembly operation. The presented approach is developed and experimentally validated in a peg-in-hole insertion task and in a cap rotation task.

Il controllo dell’interazione tra un manipolatore robotico e l’ambiente di lavoro, più comunemente denominato controllo di forza, è necessario per far fronte all’incapacità del puro controllo di moto ad eseguire correttamente quei compiti che coinvolgono un contatto diretto del robot con una superficie. L’interesse della comunità scientifica verso lo sviluppo di algoritmi di controllo di forza per robot tradizionali a singolo braccio, tema molto trattato a partire dai primi anni ’80, è gradualmente diminuito nell’ultimo decennio, nonostante il crescente utilizzo di robot industriali in operazioni di finitura e nella lavorazione di parti meccaniche potrebbe notevolmente beneficiare di controllori di forza ad elevate prestazioni. Al contempo, la recente diffusione di nuove piattaforme robotiche, come i robot leggeri (lightweight) a doppio braccio, ha spostato l’attenzione della ricerca verso l’esecuzione di operazioni molto complesse, ad esempio l’assemblaggio bimanuale robotizzato, in cui il controllo di forza riveste un ruolo fondamentale per una corretta esecuzione del compito. Questa tesi fornisce due contributi principali nell’ambito del controllo di interazione tra robot e ambiente: l’incremento delle prestazioni nel controllo di forza implicito (implementazione per robot controllati in posizione del controllo ibrido forza-posizione) utilizzando un manipolatore industriale a singolo braccio; e l’assemblaggio bimanuale controllato in forza, mediante generazione della traiettoria, per robot leightweight a doppio braccio. Viene introdotto un approccio di controllo vincolato, che estende i risultati del cosiddetto controllo di invarianza, successivamente applicato al controllo di forza implicito per garantire una regolazione della forza di contatto con riduzione del tempo di assestamento ed assenza di sovra-elongazioni. La robustezza del controllore nei confronti di incertezze sulla cedevolezza del modello di interazione robot-ambiente è successivamente approfondita. Una tecnica di identificazione diretta dei parametri del controllore basata su dati sperimentali può essere invece adottata per prevenire gli effetti negativi della modellazione e dell’identificazione dell’ambiente sulle prestazioni del controllore di forza. Viene presentata un’implementazione in tempo reale dell’algoritmo di identificazione, mentre l’adozione di un controllore predittivo (MPC) esterno permette di modificare il segnale di riferimento al fine di migliorare ulteriormente le prestazioni del sistema in anello chiuso. L’assemblaggio autonomo, utilizzando un robot lightweight a doppio braccio, può essere trattato come un problema di generazione della trattoria che soddisfi requisiti di controllo di forza. A tal fine, viene presentato un approccio di controllo basato sulla generazione di trattoria vincolata. L’adozione di un algoritmo di stima della forza di contatto permette inoltre di eseguire l’operazione di assemblaggio senza l’utilizzo di sensori esterocettivi. L’approccio proposto è verificato sperimentalmente in un’operazione di inserzione e di successiva rotazione per l’assemblaggio robotizzato di una pipetta da laboratorio.