Goal-driven variable admittance control for robot manual guidance

Nowadays, one of the most interesting and innovative topics in industrial robotics is represented by the collaborative interaction between human operators and robots. While in traditional robotics the manipulators are segregated into cages for safety reasons, in collaborative robotics human workers share the work station with robots, cooperating with them. In this way the high level of precision, speed and repeatability of the robots is combined with the flexibility and cognitive skills of human operators, speeding up the execution of the tasks, improving the quality of product, and decreasing the human effort. In particular, a field where collaborative robotics finds application in is the so called physical human-robot interaction (pHRI). Physical human-robot interaction has recently aroused growing interest among the scientific community: assistive technologies, collaborative industrial manipulators and rehabilitative robots are only few examples of this emerging technology. The goal of the present work is to develop a variable admittance control for human-robot physical interaction in manual guidance applications. The task of the robot is to actively assist the human in moving an object from a starting load-position to a goal unload-position. In the proposed solution, the parameters of the admittance filter are changed not only as a function of the current state of motion (i.e. whether the human guiding the robot is accelerating or decelerating) but also with reference to a predefined goal position. The human is in fact gently guided towards the target along some curved paths, properly scaling the damping parameter to accommodate his/her motion. The developed algorithm also allows the human to reach goals that he/she cannot directly see because of, for example, the obstruction of his/her view caused by the bulky size of the transported object. Eventually, the performance of the proposed controller are evaluated by means of point to point cooperative motions with multiple volunteers, exploiting an ABB IRB140 manipulator.

Oggigiorno uno dei temi più interessanti e innovativi della robotica industriale è rappresentato dall’interazione collaborativa tra operatori umani e robot. A differenza di ciò che accade nella robotica tradizionale che prevede la separazione fisica tra l’operatore umano e il robot, il quale generalmente è confinato in una gabbia, nella robotica collaborativa l’operatore condivide lo spazio di lavoro con il robot, collaborando attivamente con quest’ultimo. In questo modo l’elevata precisione, velocità, forza e ripetibilità che caratterizzano i movimenti dei robot si combinano con la flessibilità e le capacità cognitive proprie degli operatori umani. L’esecuzione dei vari compiti viene così resa più rapida ed efficiente, la qualità del prodotto viene migliorata e lo sforzo umano può essere notevolmente ridotto. Una branca della robotica collaborativa prevede l’interazione fisica tra operatori umani e robot (pHRI). Quest’ultima ha recentemente suscitato un crescente interesse nella comunità scientifica: tecnologie assistive, manipolatori industriali collaborativi e riabilitativi sono solo alcuni esempi delle tecnologie emergenti. In questa tesi si è sviluppato un controllo ad ammettenza a parametri variabili utilizzabile per applicazioni di guida manuale in cui il compito del robot è quello di assistere attivamente l’uomo nello spostamento di un oggetto da una posizione di carico iniziale a una posizione target di scarico. Nella soluzione proposta, i parametri del filtro d’ammettenza cambiano sia in funzione dello stato di movimento attuale dell’operatore umano che guida il robot (cioè se quest’ultimo sta accelerando o decelerando) sia con riferimento ad una posizione obiettivo predefinita. L’umano è infatti guidato dolcemente verso la meta seguendo alcuni percorsi curvi, grazie alla variazione dello smorzamento virtuale che viene opportunamente scalato al fine di favorire il movimento verso la posizione obiettivo prefissata. Inoltre l’algoritmo sviluppato consente all’operatore umano di raggiungere obiettivi che non sono visibili direttamente a causa, per esempio, dall’ingombro del carico trasportato che può causare l’ostruzione della visuale del lavoratore. Infine, le prestazioni del controllore proposto sono state valutate da più volontari, mediante movimenti cooperativi, utilizzando un robot ABB IRB140.