Fuzzy optimal control of an industrial upper-limb exoskeleton with empowering strength skills

Human strength augmentation by means of human robot interaction is nowadays taking significant steps within the industrial reality. Employing robotic devices to enhance human capabilities constitutes an important research field in the automation trend of the approaching future. In many industrial fields such as automotive, aerospace and/or manufacturing industry, the need of assisting human operators in several onerous tasks (e.g. lifting and transporting heavy payloads from a workstation to another) is a keypoint in order to guarantee safer working conditions and reduce the risk of musculoskeletal disorders that could arise from manual handling activities. The empowering skills that these robotic solutions can give may also produce benefits in terms of increased efficiency and productivity in every working environment where any type of manual effort is required. In fact, one human operator who works in parallel with a robotic solution is able to handle bigger and heavier objects, allowing also to make faster movements in the execution of the same task, requiring less effort at the same time. The adoption of robotic solutions can be classified in two main categories: robotic manipulators and wearable robots or exoskeletons. The first ones are designed to guarantee intrisic safety when interacting with the human in terms of software and hardware characteristics, while the second solutions require more precautions when performing onerous tasks. Ahuman operator must not be harmed by a wearable device, but at the same time the exoskeleton needs to give the required assistance to the interested human body parts or limbs. In comparison to collaborative manipulators, exoskeleton solutions, in this context, may be able to convey better assistance to the human, guarantee more flexible movements and be carried everywhere beeing always in interaction with the person like an extension of the human body. Main limitations of manipulators, in fact, are the possibility to operate just in a restricted area, where the encumbance of the device itself can be accurately monitored with the respect to the surrounding environment and people. The literature presented in this work also provides some studies about industrial exoskeletons for strength augmentation, but the current state of the art shows limitations in the development of wearable compact solutions suitable to be carried around inside a workstation. The goal of the thesis is to develop a control logic for an industrial safety-based exoskeleton for upper limbs, that can be worn by a human operator like a backpack and be attached to the upper arm and forearm: the purpose is even to integrate it inside a working suit. The chosen control logic is structured as it follows: the internal loop is an LQR feedback control that stabilizes the system according to a medium level offline gain scheduling control matrix that depends on the reference angular position of the shoulder joint. The highest level control is given by a fuzzy logic that establishes the reference setpoint for the inner loops, adjusted according to human intentions of motion. The fuzzy logic is characterized by triangular and trapezoidal membership funcions, that are updated on the basis of three input signals: interaction torque, derivative of the interaction torque and angular velocity of the human shoulder. If the torque generated on the shoulder motor is under a certain threshold (no intention of motion, vibrations, involuntary tremor,...) or too high (involuntary movement, dangerous situation,...) then the assistance level will be null and the reference setpoint won’t be modified. This is done respectively to avoid undesired assistance for the arm’s motion and for safety reason to avoid harming the user during the interaction. In order to assist the actuation of the shoulder and elbow joints when moving in the sagittal plane, this control strategy is applied to the exoskeleton device which is equipped with two brushless DC motors. The shoulder joint is actuated by a Compliant Belt Actuator that decouples the human shoulder from the electric drive by means of a properly designed elastic belt. This is adopted in order to have a safer interaction between the user’s shoulder and the electric drive, adding more compliance to the joint’s motion and preventing both the shoulder from damages in case of unwanted shocks. Moreover, this configuration allows to ergonomically carry the gearmotor on the back instead of increasing the encumbrance on the shoulder joint. The control also aims to suppress vibrations that occur on the arm while handling heavy payloads during the gait, due to the presence of the elastic transmission. Thanks to the fuzzy logic, the update of the reference setpoint is indeed minimized when small unintentional movements are detected, letting the LQR feedback control suppress the vibrations. The results of the simulations are presented in the final chapter of the thesis and show how the implemented control strategy achieves good performance in tracking the trajectory given by the interaction with the human. A comparison with a standard PID control highlights the benefits of this control architecture for vibrations suppression generated on the shoulder. Simulations are assessed by means of MATLAB®/Simulink, since the real prototype is still in development. The presented thesis work has been carried out in collaboration with CNRSTIIMA department in Milan, within the internal funded EFFORTLESS project.

L’incremento delle potenzialità fisiche umane per mezzo di interazione uomo-robot sta al giorno d’oggi sempre più prendendo piede all’interno della realtà industriale. Impiegare dei dispositivi robotici per aumentare le capacità dell’uomo costituisce un importante campo di ricerca in quello che è il trend dell’automazione del prossimo futuro. In molti ambiti industriali come l’industria automotive, aerospaziale o l’industria manifatturiera, il bisogno di assistere gli operatori in diversi compiti particolarmente onerosi (come ad esempio sollevare e trasportare dei carichi pesanti da una stazione di lavoro ad un’altra) è un punto chiave per garantire condizioni di lavoro sicure e ridurre il rischio di disordini muscolo-scheletrici che potrebbero insorgere da attività manuali di questo tipo. Le capacità di potenziamento che queste soluzioni robotiche possono dare può anche produrre dei benefici in termini di maggior efficienza e produttività in ogni ambiente di lavoro in cui un qualsiasi tipo di lavoro manuale è richiesto. Infatti, un operatore che lavora in parallelo ad una soluzione robotica è capace di maneggiare oggetti più grandi e più pesanti, permettendo inoltre di compiere movimenti più rapidi nell’esecuzione della stessa mansione, richiedendo al tempo stesso meno sforzo. L’adozione di soluzione robotiche può essere classificata in due categorie principali: manipolatori robotici e robot indossabili, detti anche esoscheletri. I primi sono progettati per garantire intrinsicamente un certo livello di sicurezza sia dal punto di vista hardware che software durante l’interazione con l’uomo, mentre la seconda soluzione necessita di ulteriori precauzioni per l’esecuzione di task onerosi. Un operatore non deve venire fisicamente offeso dall’esoscheletro, che allo stesso tempo deve però garantire l’assistenza necesssaria al corpo o agli arti interessati. In confronto ai manipolatori collaborativi, gli esoscheletri in questo contesto, sono capaci di trasferire una migliore assistenza all’uomo, garantire più flessibilità nei movimenti e possono essere trasportati ovunque interagendo sempre a contatto con la persona come se fossero un’estensione del corpo umano. Le principali limitazioni dei manipolatori sono infatti la possibilità di operare solamente in un’area ristretta, in cui l’ingombro del dispositivo stesso può essere accuratamente monitorata rispetto all’ambiente e alle persone circostanti. La letteratura presente in questo lavoro fornisce inoltre alcuni studi su esoscheletri per incrementare la forza, ma lo stato dell’arte attuale presenta limitazioni nello sviluppo di soluzioni indossabili che siano compatte e facilmente trasportabili all’interno di una stazione di lavoro. L’obiettivo della tesi è lo sviluppo di una logica di controllo per un esoscheletro industriale per arti superiori, che può essere indossato da un operatore come fosse uno zaino e allacciato al braccio e avambraccio: lo scopo è quello di integrarlo addirittura all’interno di una tuta da lavoro. La logica di controllo scelta è strutturata come segue: l’anello di controllo interno è un feedback LQR che stabilizza il sistema secondo una matrice di controllo calcolata da un anello intermedio dato da un gain-scheduling offline che dipende dalla posizione angolare di riferimento del giunto spalla. L’anello più esterno è caratterizzato da una logica fuzzy che stabilisce il setpoint di riferimento per gli anelli più interni, aggiustato secondo le intenzioni di movimento dell’operatore. La logica fuzzy è caratterizzata da funzioni di appartenenza triangolari e trapezoidali che sono attivate sulla base di tre segnali d’ingresso: coppia di interazione, derivata della coppia di interazione e velocità angolare della spalla. Se la coppia che viene generata sul motore dall’uomo è sotto una certa soglia (nessuna intenzione di movimento, vibrazioni involontarie, tremito,...) o eccessivamente alta (movimento involontario, situazione di imprevisto o pericolo,...), allora il livello di assistenza sarà nullo e la posizione angolare di riferimento non viene modificata. Questo è dato rispettivamente per evitare un’assistenza indesiderata al movimento del braccio e per ragioni di sicurezza per evitare di ferire accidentalmente l’operatore durante l’interazione. Per poter assistere l’uomo nel movimento della spalla e del gomito nel piano sagittale, questo controllo è applicato al dispositivo esoscheletrico, equipaggiato con due motori DC brushless. Il giunto spalla è attuato dal un attuatore a cinghia cedevole che disaccoppia la spalla dell’uomo dal motore attraverso una cinghia elastica adeguatamente progettata. Quest’ultima è impegata per avere un’interazione più sicura tra la spalla dell’operatore e il motore elettrico, aggiungendo cedevolezza sul movimento del giunto ed evitare danni alla spalla in caso di urti improvvisi. Inoltre, questa configurazione permette di trasportare il motoriduttore in modo più ergonomico sulla schiena anzichè aumentare l’ingombro sul giunto della spalla. Il controllo mira inoltre a sopprimere le vibrazioni che vengono causate sul braccio durante la camminata mentre si trasportano carichi pesanti, a causa dell’elasticità presente sulla trasmissione. Grazie alla fuzzy, l’aggiornamento del setpoint di riferimento è infatti minimizzato quando si percepiscono piccoli movimenti in volontari, lasciando che il controllo feedback dell’LQR sopprima le vibrazioni. I risultati delle simulazioni sono presentate nell’ultimo capitolo della tesi e mostrano come con la strategia di controllo implementata si ottenga una buona performance nell’inseguimento della traiettoria data dall’interazione con l’uomo. Un confronto con un controllore PID standard evidenzia i benefici dell’architettura di controllo sviluppata nel sopprimere le vibrazioni che si generano sulla spalla. Le simulazioni e i risultati sono stati condotti mediante MATLAB®/Simulink dal momento che il prototipo è ancora in fase di sviluppo. Il presente lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione col dipartimento del CNR-STIIMA di Milano, all’interno del progetto EFFORTLESS finanziato internamente.