Human arm end-point impedance estimation for bilateral robot teleoperation

The term teleoperation (or remote operation) is used when a system, for example a robotic manipulator, is operated at a distance. Two of the main paradigms of teleoperation are the bilateral force-reflecting control approach and the teleimpedance one. The former provides a force feedback from the remote location to the master side through a haptic system, while the latter usually makes no use of grounded devices and instead tries to replicate the human arm impedance at the remote station. Stability and performance properties of these two implementations are complementary. Classic tele- operation implies the presence of a master robotic manipulator, creating closed-loop dynamics between the two sides, whose stability is influenced by the operator behaviour: indeed, the human can influence the system stabil- ity, since communication delays between the two locations may cause a loss of passivity. Teleimpedance on the other hand, does not rely on any kind of kinesthetic feedback, avoiding the aforementioned stability issues of its counterpart, but also loses in terms of transparency and telepresence. The aim of this thesis is to merge, in a satisfactory way, classic teleoperation and teleimpedance so as to provide force feedback while using an estima- tion of the human arm endpoint impedance to lighten stability requirements during interaction with a master robot device. To be more precise, we want to use the teleimpedance concepts but still mantain force feedback via the haptic device on the master side. To accomplish this, real time estimation of the human arm endpoint impedance becomes necessary. In order to carry out such estimation, we compared the performance of different identi cation techniques, namely recursive least squares, extended Kalman predictor and other extensions of the Kalman theory. A validation through standard and hardware-in-the-loop simulations confi rmed the soundness and performance of the approach. For the whole development of our application, we considered a 3 degrees of freedom Novint Falcon parallel robot device.

Il termine teleoperazione (o operazione remota) viene usato quando un sistema, per esempio un manipolatore robotico, è operato a distanza. Due dei principali paradigmi di teleoperazione sono il metodo di controllo con riflessione bilaterale di forza e quello di teleimpedenza. Il primo offre un feedback di forza dalla postazione remota al lato master per mezzo di un dispositivo tattile, mentre il secondo solitamente non fa uso di dispositivi fissi e cerca, invece, di riprodurre l'impedenza del braccio umano dalla postazione remota. Le proprietà di stabilità e prestazione di questi due metodi sono complementari. La teleoperazione classica implica che vi sia un manipolatore master robotico, il quale stabilisce, tra le due parti interessate, dinamiche in anello chiuso la cui stabilità può variare in base al comportamento dell'operatore: l'umano, infatti, può influenzare la stabilità del sistema dato che i ritardi di comunicazione tra le due posizioni possono creare una perdita di pas- sività. La teleimpedenza, al contrario, non si affida ad alcun tipo di feedback cinestetico, evitando così i problemi di stabilità appena menzionati, ma perdendo in termini di trasparenza e telepresenza. Lo scopo di questa tesi è fondere, in maniera soddisfacente, la teleoperazione classica e la teleimpedenza così da fornire comunque il feedback di forza, utilizzando allo stesso tempo una stima dell'impedenza all'endpoint del braccio umano in modo da alleggerire i requisiti di stabilità durante un'interazione con un dispositivo robotico master. Per precisare ulteriormente, vogliamo utilizzare i principi della teleimpedenza ma mantenere il feedback di forza attraverso un dispositivo tattile lato master. A tale scopo si rende necessaria una stima in tempo reale dell'impedenza all'endpoint del braccio umano. Al fine di portare avanti tale stima, abbiamo comparato le performance di diverse tecniche di identificazione, in particolare minimi quadrati ricorsivi, predittore di Kalman esteso e altre estensioni della teoria di Kalman. I risulati e la solidità del metodo sono stati validati attraverso simulazioni standard and hardware-in-the-loop. Durante tutto lo sviluppo della nos- tra applicazione abbiamo considerato un dispositivo parallelo Novint Falcon avente 3 gradi di libertà.