Complex shaped virtual fixtures and variable admittance control for robotic manual guidance

Nowadays, one of the most interesting research topics in the field of robotics is represented by the collaborative robotics. Unlike the traditional one, collaborative robotics allows a human-robot interaction in the same workspace with no barriers between them. This allows to combine the cognitive skills and flexibility of operators with precision and high repeatability of machines. In this way the execution of tasks takes places with higher efficiency, improving product quality and decreasing human effort. Furthermore, collaborative robotics facilitates physical interaction between human and robot. In fact, in manual guidance applications, such as the motion of loads, the operator interacts with the robot by manually moving the end effector. In this way he/she exploits the power of the robot while maintaining complete control of the motion. The goal of this work is to develop a strategy that can help the operator in completing complex tasks, which not only involve transporting objects to a goal position, but which must also be constrained within limited volumes for safety reasons or because they require high precision, as in complex peg-in-a-hole. This problem was addressed by developing complex virtual fixtures along a provided path. The presented strategy assures safety and precision. In particular, the virtual fixtures constrain the robot end-effector inside a safe volume, avoiding potentially dangerous collisions with the external environment. Furthermore, to help the operator understand the best direction of motion, even if his/her view is obstructed by the bulky dimensions of the transported load, a goal-driven variable admittance control has also been developed. The admittance filter, by varying its parameters, provides haptic feedback which can guide the user towards a known target position following the predefined path. In the proposed solution, the parameters are varied as a function of the angle between the direction of the applied force and a computed optimal direction. The proposed algorithm, thanks to the variable admittance filter and to the virtual fixtures, allows the operator to reach the goal by following the haptic feedback, remaining always in a safe position. Finally, the performance of the developed strategy have been evaluated by means of an experimental campaign with several volunteers and an ABB-IRB 140 manipulator.

Attualmente, uno dei temi di ricerca più interessanti nel campo della robotica, è rappresentato dalla robotica collaborativa. A differenza di quella tradizionale, essa permette un'interazione uomo-robot nello stesso spazio di lavoro e senza barriere. Questo consente di coniugare le capacità cognitive e la flessibilità degli operatori con la precisione e l'elevata ripetibilità delle macchine. In questo modo l'esecuzione delle operazioni avviene con maggiore efficienza, migliorando la qualità del prodotto e diminuendo lo sforzo umano. Inoltre, la robotica collaborativa consente anche l'interazione fisica tra uomo e robot. Infatti, nelle applicazioni di guida manuale, come la movimentazione di carichi, l'operatore interagisce con il robot spostando manualmente l’end-effector. In questo modo sfrutta la potenza del robot mantenendo il completo controllo del movimento. L'obiettivo di questo lavoro è sviluppare una strategia che possa aiutare l'operatore nel portare a termine operazioni complesse, che prevedono non solo il trasporto di oggetti in una posizione obiettivo, ma che devono anche essere vincolate all'interno di volumi limitati per motivi di sicurezza o perché richiedono un alto grado di precisione, come nel caso di assemblaggi complessi. Questo problema è stato risolto mediante lo sviluppo di vincoli virtuali complessi disposti lungo un percorso predefinito. La strategia presentata garantisce sicurezza e precisione. In particolare, i vincoli virtuali forzano l'end-effector del robot all'interno di un’area di sicurezza, evitando collisioni potenzialmente pericolose con l'ambiente esterno. Inoltre, per aiutare l'operatore a capire la migliore direzione di movimento, anche nel caso in cui la sua visuale sia ostruita dalle dimensioni ingombranti del carico trasportato, è stato sviluppato un controllo ad ammettenza variabile guidato. Il filtro di ammettenza, variando i suoi parametri, fornisce un feedback tattile che può guidare l'utente verso una posizione obbiettivo nota, seguendo il percorso predefinito. Nella soluzione proposta, i parametri vengono variati in funzione dell'angolo tra la direzione della forza applicata e una direzione ottimale, calcolata in base alla posizione dell’end-effector. L'algoritmo proposto, grazie al filtro ad ammettenza variabile e ai dispositivi virtuali, consente all'operatore di raggiungere l'obiettivo seguendo il feedback tattile, rimanendo sempre in una posizione sicura. Infine, le prestazioni della strategia sviluppata sono state valutate mediante una campagna sperimentale con diversi volontari e un manipolatore ABB-IRB 140.