Human arm impedance estimation for hands-on control : a comparison between two approaches

An ever greater need of automation in factories, togheter with an ever changing market, have led the modern robotics industry to an evolution in which the collaborative robots are rising significantly. Consequently, the physical human-robot interaction is becoming more and more frequent, and it is important to use a control that guarantees an always stable system and an easy collaboration. To enable this, the impedance control, which is widely used in collaborative operations, comes in handy. However, this type of control needs to estimate the impedance parameters of the operator arm, so as to act in the best possible way understanding the intentions of the human operator, and adapt its parameters to act accordingly. This work proposes a method for the estimation of the impedance parameters of the operator arm during the collaborative operations, which is minimally invasive and can be used in real time. It is based on the EMG signals coming from the main muscles of the human arm and on the data of the operator posture. First, the kinematic and the dynamic model of the operator arm are built, using the same method used for the robotic manipulators; later a methodology for obtaining the parameters for these models, from sensors placed on the human arm, is presented. Then, the criteria for the identification of the parameters of the impedance model, and the experimental procedure to extract the necessary data to calculate them, are reported. Lastly the method proposed in this work has been compared with a previous one.

Un sempre maggiore bisogno di automatizzazione nelle aziende, unito ad un mercato in continuo cambiamento, hanno portato l’industria robotica moderna ad un’evoluzione in cui i robot collaborativi stanno aumentando in modo significativo. Di conseguenza, l’interazione fisica tra uomo e robot sta diventando sempre più frequente, per cui è importante utilizzare un controllo che garantisca di avere sempre un sistema stabile e una facile collaborazione. Per consentire ciò, ci viene in contro il controllo di impedenza che è largamente usato in operazioni collaborative; questo controllo però, per intervenire al meglio, necessita di conoscere i parametri di impedenza del braccio dell’operatore, in modo da poter intuire le intenzioni di quest’ultimo e adattare i propri parametri per agire di conseguenza. Questo lavoro propone un metodo per la stima dei parametri d’impedenza del braccio dell’operatore, durante le operazioni collaborative, poco invasivo e da poter utilizzare in tempo reale; esso si basa sui segnali EMG provenienti dai principali muscoli del braccio e dai dati sulla postura di quest’ultimo. Come prima cosa, viene costruito il modello cinematico e dinamico del braccio dell’operatore, utilizzando la stessa metodologia impiegata per i manipolatori robotici; successivamente è presentata una procedura per ottenere i parametri per questi modelli attraverso dei sensori posizionati sul braccio umano. In seguito, verranno riportati: il criterio per l’ottenimento di tutti i parametri del modello d’impedenza, e la procedura sperimentale con cui estrarre i dati necessari per calcolarli. In ultimo, il metodo descritto in questo lavoro viene confrontato con uno utilizzato in precedenza.