Telerobotic handling of liquids in open containers : an optimization-based bilateral controller for spilling avoidance

Telerobotics is one of the most prolific and well-established areas of industrial robotics. Telerobotic systems enable a human operator to control a robot from a remote location, improving the flexibility in the execution of the tasks, while guaranteeing a high degree of safety for the operator. This thesis considers the problem of achieving a spill-free liquid transfer in open containers using a teleoperated industrial manipulator. The liquid transfer task is common to many different industries as the pharmaceutical, metal casting and food-and-beverage ones. In particular, a multirate optimization-based bilateral controller has been developed to allow the user to confidently perform the teleoperated task. Indeed, the optimal controller takes in input the position/velocity references generated on-line by the human operator using a force-controlled haptic device and gives as output the motion commands for the industrial manipulator transporting the liquid. The optimization ensures that the manipulator motions always satisfy the task constraints, including the spilling avoidance one. Since the manipulator can deviate from the prescribed trajectory to satisfy the task requirements, the user is made aware of the constraints activation via force feedback. The transparency and stability performances of the system are analyzed, and different stabilization techniques are discussed. Then, the control strategy has been experimentally validated on an actual robotic system, acquiring the sloshing information with a depth camera.

La telerobotica è una delle aree della robotica industriale più prolifiche e ben consolidate. I sistemi telerobotici consentono all’operatore il controllo remoto di un robot, migliorando la flessibilità di esecuzione delle operazioni e garantendo allo stesso tempo un’elevata sicurezza per l’operatore. Questa tesi esamina la problematica di trasportare un liquido in un contenitore aperto senza alcuna fuoriuscita usando un manipolatore industriale teleoperato. Il trasporto di un liquido è un’operazione comune a molti settori, come quelli farmaceutico, siderurgico ed alimentare. In particolare, è stato sviluppato un controllore bilaterale multifrequenza basato sull’ottimizzazione che permette all’utente di svolgere la teleoperazione senza esitazioni. Infatti, il controllore riceve in ingresso i riferimenti di posizione/velocità generati on-line dall’utente con un dispositivo aptico a controllo di forza e fornisce in uscita i comandi per il robot. L’ottimizzazione assicura che i movimenti del robot soddisfino sempre i requisiti specificati, incluso quello di non fuoriuscita del liquido. Dato che il manipolatore può deviare dalla traiettoria desiderata per soddisfare i requisiti, l’utente è messo al corrente dell’attivazione dei vincoli attraverso un feedback di forza. La trasparenza e la stabilità del sistema sono state analizzate, e sono state discusse diverse tecniche di stabilizzazione. Infine, la strategia di controllo è stata validata sperimentalmente su un sistema robotico, acquisendo i dati del comportamento del liquido con un sensore di profondità.