Modellazione e sperimentazione di una strategia di controllo di impedenza adattativa per manipolatore industriale

In this Thesis compliant motion control topics are discussed for manipulators. Impedance control is used to control the manipulator in contact with a (partial) unknown environment. State of the art was analyzed. A dynamic model of the system robot-environment was made in order to develop an adaptative configuration strategy of the control parameters, that allows an adaptation of the dynamic behavior of the robot to the local working conditions. The work carried out has a double meaning. (1) The development of a dynamic model of the system robot-environment, that allows off-line simulation of the dynamic behavior of the controlled system, estimating the local interaction forces due to the contact used for the development of control algorithms. (2) Sensor-based control strategies are developed that allow the definition of a general rule for determining a desired dynamic behavior of the robot, based on the on-line measurement of contact forces. The controller is assigned to the computation for the updating of the control parameters. The platform used is the Kuka LightWeight Robot, next-generation lightweight robot designed to meet the requirements of controlled stiffness and interaction with users. The strategy was developed based on a specific assembly task of a rigid component in contact with a rigid environment. However, the problem is treated in a very general form, so that we can extend the results to any task. The results obtained show an effective adaptation of the dynamic behavior of the controlled robot to the local contact, opening new scenarios for the extension of the developed strategies to soft environments and cooperation between robots.

Nella presente Tesi sono trattati gli aspetti caratterizzanti il compliant motion control di robot antropomorfi controllati in impedenza, in presenza di un ambiente (parzialmente) non noto geometricamente e meccanicamente. Viene analizzato lo stato dell'arte, realizzato un modello dinamico del sistema robot controllato-ambiente e sviluppate una serie di strategie di configurazione adattativa dei parametri di controllo che, sulla base dell'interazione locale instaurata tra il manipolatore e l'ambiente, consentono un adattamento del comportamento del robot alle condizioni locali di lavoro. Il lavoro realizzato ha una duplice valenza. (1) Viene sviluppato un modello del sistema robot-ambiente che consente di avere fuori linea una simulazione del comportamento dinamico del sistema controllato, ovvero una stima della funzione di trasferimento tra moto del robot e forze scambiate. Data la non-linearità del sistema, viene discusso e sperimentato il range di validità di tale funzione, secondo la frequenza e la configurazione del manipolatore. In questo modo è possibile stimare le forze scambiate al contatto e utilizzare tali dati per lo sviluppo di algoritmi di controllo di un task locale. (2) Vengono sviluppate una serie di strategie di controllo sensor-based che, sulla base della lettura on-line delle forze scambiate tra robot e ambiente, consentono la definizione del comportamento dinamico desiderato del robot. La peculiarità di tali strategia risiede nello sfruttamento del controllo di impedenza e della variazione dei parametri secondo regole generali prefissate, demandando al controllore il calcolo specifico dei valori dei parametri di controllo. La piattaforma utilizzata è il Kuka LWR, robot leggero di nuova generazione sviluppato per soddisfare i requisiti richiesti di cedevolezza controllata e per realizzare un'interazione con utenti. La strategia è stata sviluppata sulla base di uno specifico task di inserzione di un componente rigido a contatto con un ambiente rigido, il quale presenta le caratteristiche proprie delle comuni applicazioni industriali. Il problema è stato trattato in una forma del tutto generale in modo tale da poter estenderne i risultati a un qualsiasi task. I risultati ottenuti dall'implementazione degli algoritmi sviluppati mostrano un effettivo adattamento del comportamento dinamico del robot controllato alle caratteristiche locali di contatto, aprendo nuovi scenari per l'estensione delle strategie realizzate ad ambienti di lavoro soffici e alla cooperazione tra robot.