Operational space impedance tracking using optimization-based non-linear controllers for dexterous manipulation of robots

With the latest trends in robotics and industrial automation, the terms like collaborative robotics, compliant robotics and teleoperation are widespread due to their evident advantages of better adaptability and productivity over traditional fully autonomous variants. Thanks to the recent technological developments, the computational capabilities of the machines disposed to data processing have enormously increased. While the advantages of operational space control are well-understood from an analytical point of view, it can be inordinately hard to accurately control complex robots in the face of modelling errors or other sources of instability. For these reasons, constraint optimal control problem is considered in this thesis to develop robust control strategy that enables dexterous manipulation in the task space. The proposed controller is able to guarantee desired impedance robustly in task space. The crucial components addressed include uncertainties of the system, joint friction and communication delay in the network that notably affect the stability of the operation. To address them, a model predictive sliding mode control has been developed for a generic multi-degree of freedom system. It is an optimization based controller that solves a quadratic objective function satisfying constraints as desired by the operation or imposed by the environment. The experiments validate the effectiveness of the approach and its capability to achieve robust operation in the presence of extrinsic and intrinsic uncertainties and the communication delay on the torque channel.

Con le ultime tendenze della robotica e dell'automazione industriale, i termini come la robotica collaborativa, la robotica compliant e la teleoperazione sono diffusi a causa dei loro evidenti vantaggi di una migliore adattabilità e produttività rispetto alle varianti tradizionali completamente autonome. Grazie ai recenti sviluppi tecnologici, le capacità computazionali delle macchine disposte all'elaborazione dei dati sono enormemente aumentate. I vantaggi del controllo dello spazio operativo sono ben compresi, può essere estremamente difficile controllare accuratamente robot complessi di fronte a errori di modellazione o altre fonti di instabilità. Per queste ragioni, in questa tesi viene considerato un problema di controllo ottimale dei vincoli per sviluppare una solida strategia di controllo che consenta una corretta manipolazione nello spazio delle attività. Il controller proposto è in grado di garantire l'impedenza desiderata in modo robusto nello spazio delle attività. Le componenti cruciali affrontate includono incertezze del sistema, attrito congiunto e ritardo di comunicazione nella rete che influiscono notevolmente sulla stabilità dell'operazione. Per affrontarli, è stato sviluppato un controllo predittivo della modalità di scorrimento per un sistema generico di grado multiplo di libertà. È un controller basato sull'ottimizzazione che risolve una funzione obiettivo quadratica che soddisfa i vincoli desiderati dall'operazione o imposti dall'ambiente. Gli esperimenti convalidano l'efficacia dell'approccio e la sua capacità di ottenere un funzionamento robusto in presenza di incertezze estrinseche e intrinseche e il ritardo di comunicazione sul canale di coppia.