Design and evaluation of a sensorless variable stiffness impedance controller

The use of robots at the industrial level is now widely established. In this context, one of the current goals is to achieve more flexible manufacturing: now technologically mature, lightweight robots offer the possibility to perform tasks with precision and accuracy. These robots must be capable of performing tasks even in the absence of precise knowledge of the environment in which they are operating. This thesis work focuses on the design, implementation, and evaluation of a sensorless variable stiffness impedance controller. The goal is to achieve interaction control even when the geometric and mechanical characteristics of the environment are not perfectly known. An adaptive logic is developed to impose the desired dynamic behavior on the robotic arm. The logic aims to minimize the error between the real and the desired force applied by the end-effector to the environment. An Extended Kalman Filter is also implemented to estimate the environmental stiffness. The obtained estimate is used to calculate an estimate of the contact force through a model that includes both the stiffness of the robotic arm and that of the environment. In this way, stiffness adjustment is carried out without the use of external sensors. The technology was tested on a Franka Emika Panda robot. Experimental results demonstrate that the controller is able to correctly adapt the stiffness of the robotic arm in order to reach the desired force.

L'utilizzo di robot a livello industriale è ormai ampiamente consolidato. In questo contesto, tra gli obiettivi attuali vi è quello di ottenere una manifattura più flessibile: ormai maturi dal punto di vista tecnologico, i lightweight robot offrono la possibilità di eseguire task con precisione e accuratezza. Tali robot devono essere in grado di svolgere le attività anche in assenza di una conoscenza precisa dell'ambiente in cui si trovano a operare.\\ Questo lavoro di tesi si occupa della progettazione, implementazione e valutazione di un sensorless variable stiffness impedance controller. L'obiettivo è ottenere un controllo dell'interazione anche nel caso in cui le caratteristiche geometriche e meccaniche dell'ambiente non siano perfettamente note. Viene sviluppata una logica di adattamento in grado di imporre al braccio robotico il comportamento dinamico desiderato. La logica ha lo scopo di minimizzare l'errore tra la forza reale e quella desiderata applicate dall'end-effector sull'ambiente. Viene inoltre implementato un Extended Kalman Filter per stimare la rigidezza ambientale. La stima ottenuta è utilizzata per calcolare una stima della forza di contatto attraverso un modello che include sia la rigidezza del braccio robotico sia quella dell'ambiente. In questo modo, l'aggiustamento della rigidezza viene eseguito senza l'utilizzo di sensori esterni. La tecnologia è stata testata su un robot Franka Emika Panda. I risultati sperimentali dimostrano che il controller è in grado di adattare correttamente la rigidezza del braccio robotico al fine di raggiungere la forza desiderata.