Open loop force control of a pneumatic gripper

Pneumatic grippers have been widely used for decades in industrial applications for their ease to use and reliability. Historically, due to their structure, they have operated in a binary "full-open/full-close" mode limiting precise force regulation. The reasons behind it are the difficulty in controlling precisely pneumatic cylinders and the presence of friction forces affecting the gripper's output. To expand the range of potential applications for pneumatic grippers beyond the traditional ones, it is crucial for them to become more accurate in regulating their force output to avoid being surpassed by other solutions on the market. In the context of the just explained situation Camozzi Automation had the goal to improve the performances of one of its products, the pneumatic SmartGripper, without the need of a costly force sensor. Consequently, the aim of this thesis is the development of an open loop control strategy that would be easily implementable in an industrial application as the one described. The work focuses on the implementation of an accurate model of the friction forces acting on the system. It also develops an open loop control structure based on a force estimator to regulate the gripper's force output. The proposed solution is based on the adaptation of the residual vector method to estimate external forces in the pneumatic gripper. It then utilizes input and output chamber's pressures in the gripper's pneumatic pistons to regulate the system's force output and minimize its errors. From the results of a series of tests conducted both in the simulation environment and on the real gripper it is possible to notice a remarkable improvement in its performances thanks to the proposed control method. The new control strategy is able to compensate almost all the errors measured in the system when the current regulation method is in use.

Da tempo le pinze pneumatiche sono ampiamente utilizzate nelle applicazioni industriali per la loro facilità d'uso e affidabilità. Storicamente, a causa della loro struttura, hanno operato in modalità "completamente aperte/completamente chiuse", limitando una regolazione precisa della forza. Per espandere la gamma delle loro potenziali applicazioni e per evitare di essere superate da altre soluzioni sul mercato è necessario che queste siano in grado di regolare la forza espressa dalle loro dita. Come tutti i sistemi meccanici, le pinze pneumatiche sono influenzate dalla presenza di forze di attrito e perdite che ne riducono la forza espressa in output. In questo contesto, Camozzi Automation ha voluto migliorare le prestazioni di uno dei suoi prodotti, la pinza SmartGripper, senza voler però utilizzare un costoso sensore di forza. L'obiettivo di questa tesi è quindi quello di sviluppare una strategia di controllo ad anello aperto facilmente implementabile in un'applicazione industriale come quella descritta. Il lavoro si concentra sull'implementazione di un modello accurato delle forze di attrito che agiscono sul sistema e sviluppa una struttura di controllo ad anello aperto per regolare la forza generata dalla pinza. La soluzione proposta si basa sull'adattamento del metodo del vettore dei residui per stimare le forze dissipative nella pinza pneumatica. L'algoritmo prodotto utilizza quindi le pressioni delle camere di ingresso e di uscita nei pistoni della pinza per regolare la forza prodotta dalle sue dita e minimizzare gli errori. Dai risultati di una serie di test condotti sia nell'ambiente di simulazione che sulla pinza reale è possibile notare un notevole miglioramento delle prestazioni della pinza SmartGripper grazie al metodo di controllo proposto.