A semi-autonomous teleoperation framework for improved adaptability to external interactions

This work presents a new semi-autonomous Teleimpedance-based controller, where the robot has an adaptive capacity for physical interaction with the environment. The proposed method is based on a feed-forward control scheme, the high-level position reference is provided by the human operator, while the low-level physical interaction with the environment is performed semi-autonomously thought the proposed adaptive local control method. This method uses the feedback from robot’s force sensors to recognize and compensate aspects of the interaction to which the human does not need to pay attention to: the dynamic compensation of the weight of any used tools, without any a priori information, while maintaining a safe and compliant behaviour with the unknown external environment. Thanks to this on-line compensation, the slave reduces the misalignment with the human operator, while performing complex interactive tasks, without the force feedback. The robot local controller also includes the energy tank passivity paradigm in order to be able to manage unexpected collisions or contact loss without resulting in unsafe behaviour. Experimental results of manipulation tasks that requires both object manipulation and environment interaction, using Kuka LWR arm, will validate the proposed solution.

Questo lavoro presenta un metodo di controllo semi-autonomo, basato su un interfaccia uomo-robot per sistemi di teleoperazione, la Tele-impedenza, nel quale il robot ha la capacità di adattarsi in maniera dinamica quando interagisce fisicamente con l’ambiente. Il metodo proposto si basa su un sistema di controllo in feed-forward, in cui i comandi, ad alto livello, sulla posizione sono forniti dall’operatore umano, mentre localmente, il controllo adattativo qui proposto regola gli altri aspetti dell’interazione con l’ambiente circostante. Questo metodo utilizza il feedback dei sensori di forza del robot per riconoscere e compensare aspetti dell’interazione a cui l’ uomo non deve prestare attenzione, come la compensazione del peso di tutti gli strumenti usati durante la teleoperazione, senza conoscerne alcuna informazione a priori, pur mantenendo un comportamento sicuro con l’ambiente esterno sconosciuto, assicurato anche dall’uso di una bassa rigidezza. Grazie a questa continua compensazione, lo slave (ovvero il robot) riduce il disallineamento con l’operatore umano (master), durante l’esecuzione di complesse attività interattive, senza la necessità di usare un feedback di forza. Il controller locale del robot assicura inoltre la stabilità dell’intero sistema, basandosi sulla teoria della passività, tramite l’uso dell’ energy-tank, per essere in grado di gestire collisioni impreviste o perdite di contatti, senza che esse causino movimenti inaspettati e non sicuri. La validità del nostro approccio è provata dai risultati sperimentali ottenuti eseguendo un task di manipolazione che richiede sia la capacità di manipolare gli ogetti, che un’opportuna