Modellistica e controllo di attuatori idraulici per manipolatori robotici

A common problem when using heavy hydraulic machines manual-operated consists in the inability of performing accurate movements in the workspace. In the last years the development of non linear control techniques and the production of constantly more accurate and cheaper hydraulic drives induced the formation of a bigger interest towards the production of controlled hydraulic systems. This interest is also motivated by the fact that hydraulic systems can generate high forces with small dimension actuators. This paper specifically focuses on the position control of hydraulic actuators, thanks to which being able to achieve an extremely precise and reliable axis control of a robotic manipulator. To reach this goal the mathematic model of a generic hydraulic servomechanism has been studied and from this one multiple types of control strategy have been synthesized. In particular, a linear cascade control with static compensation of the deadzone and a sliding mode control have been considered. Subsequently the performance of the closed-loop systems have been analyzed in simulation and on an experimental testbench. The necessity to guarantee an high robustness of the closed-loop system led to the implementation on the manipulator of a sliding mode control through a decentralized scheme. The tracking performance of time-varying reference signals has been improved by the feedforward model-based action finely calibrated after many experimental tests. In addition the high frequency chattering, introduced by the control action, has been reduced through the use of a specific approximated function. The efficiency of the algorithm has been verified on a simulator developed in OpenModelica environment, and on a robotic manipulator provided by a company.

Un problema comune nell'impiego di macchine idrauliche pesanti operate manualmente consiste nell'incapacità di realizzare movimenti precisi nello spazio operativo. Negli ultimi anni lo sviluppo di tecniche di controllo non lineari e la fabbricazione di azionamenti idraulici sempre più precisi ed economici hanno contribuito alla formazione di un maggiore interesse nella realizzazione di sistemi oleodinamici controllati. Tale interesse è anche motivato dal fatto che le macchine idrauliche, con ingombri ridotti, possano essere sottoposte a elevati carichi di lavoro. Questo elaborato in particolare si concentra sulla sintesi di un controllo di posizione per attuatori idraulici, in modo tale da realizzare conseguentemente un controllo assi preciso ed affidabile su un manipolatore robotico. Per raggiungere questo obbiettivo si è studiato il modello matematico di un generico servomeccanismo idraulico e basandosi su quest'ultimo si sono poi sintetizzati diversi tipi di controlli. In particolare sono stati considerati un controllo lineare in cascata con compensazione statica della deadzone ed un controllo sliding mode. Successivamente si sono analizzate le prestazioni di questi ultimi sia in simulazione che su un banco di prova sperimentale. La necessità di garantire un'elevata robustezza del sistema in anello chiuso ha portato all'implementazione sul manipolatore del controllo sliding mode attraverso uno schema decentralizzato. Le prestazioni d'inseguimento di segnali tempo-varianti sono state perfezionate attraverso un'azione feedforward model-based calibrata finemente a seguito di numerose prove sperimentali. Inoltre le oscillazioni ad alta frequenza, introdotte dal controllo, sono state ridotte attraverso l'utilizzo di una particolare funzione approssimante. L'efficacia dell'algoritmo è stata verificata sia su un simulatore sviluppato in ambiente OpenModelica, sia su un manipolatore robotico messo a disposizione da un'azienda.