Physical human-robot interaction using variable impedance control based on human arm stiffness estimation

With the advances of the technology, the human-robot interaction applications have been more and more envisioned to include direct physical contact between the human and the robot. The concept of impedance control provides a suitable framework for controlling robots in contact with unknown environments. Considering the unpredictability of the human behavior, impedance control is also appropriate for controlling the physical human-robot interaction. Humans have intrinsic ability to effectively vary the impedance properties of their arm in order to increase stability and accuracy during physical interactions with the environment. Therefore, an optimal way to adapt the robot motion to the human guidance during physical human-robot interaction is to design the control in accordance with the dynamics of the human arm. This thesis exploits the human-robot interaction with adaptive behavior of a light-weight robot that enables the human operator to perform tasks with improved performance. We propose a concept of variable impedance control for physical human-robot interaction, based on the stiffness of the operator’s arm estimated by means of measured EMG signals. With the proposed method, the operator is able to adapt the damping of the robot in correspondence to his muscle activations and therefore obtain robot’s assistance for accurate positioning or low-effort interaction for fast movement. Finally, the proposed method is evaluated and compared to conventional impedance control with a validation task involving human guidance of the robot’s endpoint along a predefined path.

Con i progressi della tecnologia, le applicazioni di interazione uomo-robot sono state sempre più previste per includere il contatto fisico diretto tra l'uomo e il robot. Il concetto di controllo dell'impedenza fornisce un quadro adatto per il controllo dei robot a contatto con ambienti sconosciuti. Considerando l'imprevedibilità del comportamento umano, il controllo dell'impedenza è appropriato anche per controllare l'interazione fisica uomo-robot. Gli esseri umani hanno la capacità intrinseca di variare efficacemente le proprietà di impedenza del loro braccio al fine di aumentare la stabilità e la precisione durante le interazioni fisiche con l'ambiente. Pertanto, un modo ottimale per adattare il movimento del robot alla guida umana durante l'interazione fisica uomo-robot è progettare il controllo in accordo con le dinamiche del braccio umano. Questa tesi sfrutta l'interazione uomo-robot con il comportamento adattivo di un robot leggero che consente all'operatore umano di eseguire compiti con prestazioni migliorate. Proponiamo un concetto di controllo di impedenza variabile per l'interazione fisica uomo-robot, basato sulla rigidità del braccio dell'operatore stimata per mezzo di segnali EMG misurati. Con il metodo proposto, l'operatore è in grado di adattare lo smorzamento del robot in corrispondenza delle sue attivazioni muscolari e quindi ottenere l'assistenza del robot per un posizionamento accurato o un'interazione a basso sforzo per un movimento veloce. Infine, il metodo proposto viene valutato e confrontato con il controllo di impedenza convenzionale con un task di convalida che coinvolge la guida umana del punto finale del robot lungo un percorso predefinito.