Compliant control for human robot interaction: a low cost SEA based approach

When coming to the cooperation between a robot and a human, the robot side is usually thought of as rigid machine, and it has traditionally been designed with the goal of making the interface between actuator and load as stiff as possible. However, studies have pointed out that voluntarily introducing a compliance in the robot’s joints can yield a number of benefits, such as lower reflected inertia, shock tolerance, easier force control and capacity for energy storage. These characteristics are especially useful in those fields in which organic, natural-like motion is required and in which human-robot interaction is a key factor. These areas include collaborative robots, i.e. robots that are meant to work side-by-side with a human, including rehabilitation and assistive exoskeletons. This thesis work focuses on developing compliant control strategies over a previously designed joint for the assistance of shoulder adduction/abduction degree of freedom of an upper limb rehabilitation exoskeleton for post-stroke patients. However, most of the obtained results can be applied to any human upper limb joint. The joint has been designed towards the concept of technology democratization, and therefore to be as low coast as possible, leading to challenges in the implementation of a proper compliant controller. The joint is equipped with a series elastic actuator, a stepper motor, two rotary potentiometers, and commercially available springs as elastic elements. Both impedance control mode and admittance control mode have been successfully implemented on the joint, and this text explains the development and the performance assessment of the this two approaches, highlighting pros and cons.

I robot industriali sono generalmente considerati macchine rigide e sono stati tradizionalmente progettati con l’obiettivo di rendere l’interfaccia tra attuatore e carico il più rigida possibile. Tuttavia, studi hanno evidenziato che l’introduzione volontaria di una complianza nelle articolazioni del robot può produrre una serie di vantaggi, come una minore inerzia riflessa, maggiore tolleranza agli urti, controllo di forza più semplice e capacità di accumulare energia. Queste caratteristiche sono particolarmente utili in quei campi in cui è richiesto un movimento organico e naturale e in cui l’interazione uomo-robot è un fattore rilevante. Queste aree includono i robot collaborativi, cioè robot che hanno lo scopo di lavorare fianco a fianco con un umano, come gli esoscheletri riabilitativi ed assistivi. Il presente lavoro di tesi si concentra su questo secondo campo e si pone l’obiettivo di sviluppare alcune strategie di controllo compliante per un prototipo di giunto che era stato originariamente progettato per l’articolazione di adduzione/abduzione della spalla di un esoscheletro riabilitativo per arto superiore per pazienti post-ictus. In ogni caso, molti dei risultati trovati si possono estendere a qualsiasi giunto dell’arto superiore. Questo prototipo è dotato di un attuatore con elasticità in serie ed è stato progettato per essere il più economico possibile, utilizzando un motore passo-passo come attuatore, potenziometri rotativi come trasduttori e molle commercialmente disponibili come elementi elastici. Le modalità di controllo di impedenza e di controllo di ammettenza sono state implementate sul giunto e questo testo spiega lo sviluppo e la valutazione delle prestazioni di queste due modalità di controllo, evidenziandone vantaggi e svantaggi.