Design of an adaptive admittance control for physical human-robot interaction in the lead-through programming collaborative task

In the modern industrial context, the main manufacturing challenges are related to the ability to combine high productivity, customization and short product life cycles. In this scenario, the physical human-robot interaction is an emerging fi eld in robotics, as it combines the complementary skills between a robot and a human, enabling companies to increase the production efficiency. However, the coexistence of robot and human in the same workspace requires the guarantee of a stable, and thus safe, cooperation, trying to minimize the effort for the user to accomplish the task. For this purpose, the admittance control is widely used, and a proper selection of its gains is fundamental, since they affect both the stability of the human-robot system and the ability of the manipulator to interact with the user. In particular, the stability of the admittance controller is strongly related to the human arm impedance. In this scenario, this work designs a novel methodology for adapting on-line the gains of an admittance-controlled robot, based on the current human arm impedance, in the scope of the lead-through programming collaborative operation. Firstly, a realistic human arm model is built, exploiting the impedance parameters identi ed through an experimental procedure. Thereafter, an adaptive admittance control algorithm is derived to tune the admittance parameters so that the passivity of the human-robot interaction system is guaranteed and the stability preserved. Moreover, the effects of robot link and joint elasticity on the algorithm are evaluated. Finally, the proposed approach is validated in the Simulink simulation environment testing some lead-through programming tasks.

Le principali sfide riguardanti il moderno contesto industriale sono legate alla capacità delle aziende di ottenere elevata produttività, personalizzazione e brevi cicli di vita del prodotto. In questo scenario, l'interazione fisica tra uomo e robot è un campo emergente della robotica, in quanto unisce le capacità complementari del robot e dell'uomo, permettendo così alle aziende di aumentare l'efficienza produttiva. Tuttavia, durante lo stretto contatto tra uomo e robot, la stabilità e la sicurezza dell'interazione devono essere garantite, cercando inoltre di ridurre lo sforzo richiesto all'operatore per eseguire il compito. Il controllo in ammettenza è ampiamente utilizzato per questo scopo, ma risulta importante un'adeguata selezione dei guadagni, in quanto essi influenzano sia la stabilità del sistema uomo-robot, che il modo in cui il manipolatore interagisce con l'utente. In particolare, la stabilità del controllo in ammettenza è fortemente legata all'impedenza del braccio umano. In questo scenario, questo lavoro propone una nuova metodologia per adattare on-line i guadagni di un robot controllato in ammettenza, basandosi sui correnti valori di impedenza del braccio umano, nell'ambito dell'operazione collaborativa di programmazione lead-through. In primo luogo, viene costruito un modello realistico del braccio umano, sfruttando i parametri di impedenza identificati tramite una procedura sperimentale. In seguito, viene ricavato un algoritmo di controllo adattivo per regolare i parametri di ammettenza in modo tale che la passività del sistema interattivo uomo-robot sia garantita e la stabilità preservata. Inoltre, si valutano gli effetti dell'elasticità dei link e dei giunti del robot sull'algoritmo. Da ultimo, l'approccio proposto viene validato nell'ambiente di simulazione Simulink tramite il test di alcune procedure di programmazione lead-through.