Stable variable impedance control with force tracking in programming by demonstration framework

A Cartesian variable impedance and force controller is presented in this work to enable an industrial collaborative manipulator to accurately track position and force references during tasks that require contact with the environment. The task is demonstrated by the user through the natural and flexible kinesthetic teaching techniques, making the programming phase accessible also to non-experts. Variabilities and correlations observed among multiple demonstrations are exploited to define a variable impedance profile used to automatically set the relative priority of position, force or compliant motion. Interaction force measurements during task reproduction allow to enhance force tracking performance and adaptation to environmental uncertainties. The controller is augmented with an energy tank to preserve passivity and so ensure stable interaction, validation is done through simulation. Two experiments are presented using a 7-DOF manipulator equipped with a force sensor to highlight the ability of the proposed approach in successfully reproducing tasks with disturbances, where other the state of the art methods fail. The project has been developed at the ABB Corporate Research Centre in Ladenburg (Baden-Württemberg, Germania).

Un controllore ibrido di forza ed impedenza variabile è stato sviluppato al fine di consentire ad un robot collaborativo industriale un tracking accurato di riferimenti di posizione e forza, durante compiti che includono l’interazione con l’ambiente circostante. Il compito è dimostrato dall’utilizzatore attraverso un’interfaccia intuitiva e naturale (kinesthetic teaching) rendendo la fase di programmazione del robot accessibile anche ad utenti non esperti. Le variabilità e le correlazioni tra le dimostrazioni sono utilizzate per definire un profilo di impedenza variabile in modo da assegnare automaticamente le priorità tra posizione, forza e sicurezza nel moto. La forza scambiata tra robot e ambiente durante la riproduzione del compito è impiegata per migliorare il tracking di forza e la capacità di adattamento a variazioni ambientali. Il controllore è integrato con un osservatore di passività al fine di garantire la stabilità del sistema, l’approccio è validato attraverso una simulazione. Due esperimenti sono stati realizzati con un manipolatore a 7 gradi di libertà per verificare le superiori capacità dell’approccio proposto, rispetto allo stato dell’arte, nel riprodurre correttamente il compito assegnato in presenza di disturbi. Il progetto è stato sviluppato presso il Corporate Reasearch Centre ABB di Ladenburg (Baden-Württemberg, Germania).