Rotational manual guidance of robots through virtual fixtures and variable admittance control

When manually guiding a robot, it is crucial to guarantee high accuracy in terms of both position and orientation. Moreover, potentially dangerous collisions with the external environment must be avoided at all costs. However, while translational movements are easily comprehensible to a human, rotational ones do not have an immediate interpretation. This prevents an operator from achieving high performance in terms of completion time and positioning error. Hence, a suitable strategy is required to facilitate the user in safely accomplishing rotational tasks, constraining the end-effector in a collision-free region of the workspace. To this end, two novel formulations of rotational virtual fixtures are proposed in this thesis. The first one is based on the axis-angle representation of an orientation in the 3D space. Instead, the second approach exploits the properties of rotation matrices. To further improve the human comprehension of the best motion direction in the rotational world, a novel variable admittance control is also designed. The possibility of a joint exploitation of rotational virtual fixtures and variable admittance is also discussed to achieve the best possible performance in terms of safety and accuracy. The effectiveness of the proposed control strategies is evaluated by means of rotational point-to-point cooperative motions involving several volunteers and an ABB IRB-140 robot.

Durante la guida manuale di un robot è di cruciale importanza garantire un'elevata accuratezza sia di posizione che di orientamento. Inoltre, collisioni potenzialmente pericolose con l'ambiente esterno devono essere evitate ad ogni costo. Tuttavia, mentre i movimenti in traslazione risultano facilmente comprensibili all'uomo, le rotazioni spesso non hanno un'interpretazione così immediata. Ciò impedisce all'operatore di ottenere prestazioni soddisfacenti in termini di tempo d'esecuzione ed errore di posizionamento. Di conseguenza, una strategia ad hoc è necessaria per aiutare l'utente nel completare in sicurezza movimenti rotazionali, relegando l'end-effector all'interno di una regione dello spazio di lavoro esente da potenziali collisioni. A tale scopo, questa tesi propone due nuove formulazioni di vincoli virtuali rotazionali. La prima si basa sulla rappresentazione asse-angolo di un orientamento nello spazio tridimensionale. Il secondo approccio sfrutta invece le proprietà delle matrici di rotazione. Inoltre, per semplificare ulteriormente la comprensione di quale sia la miglior direzione di movimento nel mondo rotazionale, si introduce un'innovativa strategia di controllo ad ammettenza variabile. La possibilità di un utilizzo combinato di vincoli virtuali rotazionali ed ammettenza variabile è discussa con l'obiettivo di ottenere le migliori prestazioni possibili in termini di sicurezza e precisione. L'efficacia delle strategie proposte è valutata da più volontari attraverso movimenti rotazionali cooperativi con un robot ABB IRB-140.