Modelling and control of the bionic handling assistant

The human-robot interaction with the Bionic Handling Assistant is hazard-free, also when the manipulator is in an active state of motion. The aim of this thesis is the design and the application of a control capable of managing the interaction of the manipulator Bionic Handling Assistant with the environment - humans and objects - in terms of both positioning control and contact force control. The kinematic and kinetic modelling of the manipulator, propaedeutic to the control design, are also a main topic of this thesis. In particular, the kinematic modelling is approached through the application of two different methods, with the aim of deriving a singularity-free, more compact and efficient model with respect to those available in the literature. Positive results would be beneficial not only to the Bionic Handling Assistant project, but to a broader range of manipulators.

Il Bionic Handling Assistant è un manipolatore flessibile ad attuazione pneumatica. Appartiene alla categoria dei "robot continui", grazie alla caratteristica delle sezioni di cui è costituito di poter compiere una flessione, di tipo elastico, continua nello spazio. Il manipolatore è caratterizzato da proprietà di estrema leggerezza e flessibilità, ottenute tramite l'utilizzo di poliammide come materiale costituente. Tali caratteristiche rendono questo manipolatore adatto a numerose applicazioni in cui è richiesta particolare agilità nei movimenti, e soprattutto lo rendono adatto all' interazione uomo-macchina. La cooperazione con il Bionic Handling Assistant, infatti, può essere stabilita in totale sicurezza per l'operatore, anche con il manipolatore in fase attiva di movimentazione. L'obbiettivo della tesi è il progetto e l'applicazione di un "controllo d'impedenza", attraverso il quale sia possibile la definizione del comportamento dinamico desiderato del manipolatore, in termini di posizionamento nello spazio, e in termini forza di contatto con l'ambiente circostante. Propedeutiche all'applicazione di questo controllo, che è presentato al capitolo 4, la modellazione cinematica e la modellazione dinamica del manipolatore sono affrontate e descritte nei capitoli 2 e 3, rispettivamente. Particolare attenzione è prestata allo sviluppo della cinematica diretta delle sezioni costituenti il manipolatore. Tale cinematica è condivisa con la maggior parte dei robot continui finora progettati, e rappresenta ambito di ricerca. In questa tesi la cinematica diretta viene affrontata tramite l'utilizzo dei parametri di Denavit-Hartenberg e attraverso l'utilizzo dei dual quaternions. Sulla base delle affermate caratteristiche che contraddistinguono positivamente questo secondo metodo, lo scopo è di ottenere, tramite il suo utilizzo, una modellazione cinematica priva di singolarità, più compatta ed efficiente rispetto ai modelli presenti in letteratura. Nel capitolo 5 della tesi, sono presentati i risultati sperimentali relativi all'applicazione del controllo progettato sul manipolatore. Questi sono caratterizzati da problematiche di ``creep'' relative al materiale plastico costituente il manipolatore, che hanno in parte limitato l'applicazione del controllo progettato.