A control architecture for efficient point-to-point motions with articulated soft arms

Introducing elasticity in the robot's mechanics is proving to be a key ingredient in endowing robots with the ability of performing efficient and effective motions, especially when periodicity is involved in the task. However, how to develop controllers that can fully take advantage of these new possibilities is still an open challenge. This thesis tackles an instance of this general problem, by proposing a control architecture for executing efficient point-to-point periodic motions in robotic systems with adjustable parallel elasticity and variable stiffnesses. The algorithm is composed of two loops. The low-level one compensates for dissipation, therefore putting the robot in a stable oscillation. The high-level controller acts once every period. It adjusts the amplitude of excitation and the physical parameters of the system in order to move the end effector closer to the desired targets and, if possible, to compensate for any oscillation's period error. Both loops are derived under a quasi-linear approximation of the dynamics, which allows for an analytic expression of the controllers. The resulting architectures show remarkable robustness both in simulations and experiments, across several conditions and tasks, combined with a high level of efficiency.

L'impiego di parti elastiche nella meccanica di un robot si sta dimostrando essere un elemento fondamentale per ottenere movimenti al contempo efficienti e efficaci, specialmente quando l'azione richiesta è periodica. Tuttavia, lo sviluppo di controllori in grado di sfruttare a pieno le possibilità create è tuttora una sfida aperta. Questa tesi affronta un argomento specifico, proponendo un' architettura di controllo allo scopo di ottenere ampia efficienza energetica riguardo movimenti periodici da punto a punto. Si considerano sistemi robotici dotati di attuatori a rigidezza variabile e con elasticità parallela regolabile. L'algoritmo proposto si sviluppa su due livelli di azione a controllo chiuso. Il controllore cosiddetto "low-level" serve a compensare per le dissipazioni, quindi garantendo un'oscillazione stabile del robot. Il controllore cosiddetto "high-level" agisce una volta ogni periodo di intervallo. Aggiustando l' ampiezza dell' azione "low-level" e i parametri fisici del sistema permette di modificare la posizione dell' end-effector verso quella desiderata e, se possibile, di compensare l'errore sul periodo di oscillazione. Entrambi i controllori sono ottenuti con una approssimazione quasi-lineare della dinamica, che permette di ricavare espressioni analitiche dei parametri principali. L'architettura risultante ha dimostrato una considerevole robustezza e efficienza energetica sia nelle simulazioni che negli esperimenti effettuati, per una ampia serie di condizioni e compiti.