Interazione fisica uomo-robot in manipolatori con architettura chiusa di controllo

1. Interazione fisica uomo-robot in manipolatori con architettura chiusa di controllo TESI DI LAUREA IN Ingegneria Informatica e Automatica Relatore Candidato Prof. Alessandro De Luca Daniele De Simone Anno Accademico 2012/2013

2. Il Problema Il presente progetto si è occupato di sviluppare, con l’ausilio dell’ambiente Matlab&Simulink, un valido modello dinamico di un manipolatore antropomorfo 3R. Si è supposta per questo robot un’architettura chiusa di controllo, limitata al controllo cinematico di posizione. Successivamente si è proposto un metodo per rilevare le collisioni e permettere l’interazione sicura uomo-robot in manipolatori industriali che non presentano controllori di coppia ai giunti o sensori di forza. In particolare si è utilizzata come unica informazione in feedback la misura delle correnti dei motori che, attraverso un opportuno processing online, potesse permettere di rilevare collisioni o contatti volontari.

3. Modello del manipolatore antropomorfo 3R

4. Cinematica del manipolatore 3R Calcolo della cinematica diretta: Per ricavare l’espressione della cinematica diretta del manipolatore in esame, si è fatto uso della convezione di Denavit-Hartenberg: • Assegnazione delle terne di riferimento per ogni giunto. • Identificazione delle common normal. • Calcolo dei parametri di Denavit-Hartenberg

5. Cinematica del manipolatore 3R • Calcolo della cinematica differenziale: Derivando nel tempo l’espressione della cinematica diretta si ottiene la matrice jacobiana per la cinematica differenziale.

6. Dinamica del manipolatore 3R • B(q) è la matrice delle inerzie • c(q, ) è il vettore delle forze centrifughe e di Coriolis • g(q) è il vettore delle componenti di gravità • JT(q)Fe rappresenta le coppie sentite ai giunti quando è applicata una forza esterna Fe all’End-Effector

7. Controllo integrato • Controllori di posizione ai giunti di tipo PID • Compensazione della gravità • Microinterpolazione

8. Filtraggio delle correnti e Collision-Detection

9. Filtraggio delle correnti • Filtro passa-alto (HPF - High Pass Filter): filtro del primo ordine con frequenza di taglio a 10 Hz • Filtro passa-basso (LPF - Low Pass Filter): filtro del primo ordine con frequenza di taglio a 20 Hz

10. Collision-Detection • Per determinare una collisione le correnti filtrate sono confrontate con delle soglie variabili nel tempo e dipendenti dalle accelerazioni e velocità di riferimento.

11. Collision-Detection Per determinare l’avvenuta collisione o un contatto volontario, si usano due semplici regole: • Se la k-esima corrente HPF supera la k-esima soglia passa-alto è avvenuta una collisione. • Se la k-esima corrente LPF supera la k-esima soglia passa-basso e nessuna delle correnti HPF supera la propria soglia passa-alto allora è avvenuto un contatto volontario.

12. Simulazioni

13. Test 1 Il manipolatore è fermo in posizione q=(0° 0° 0°) quando all’istante t=10s avviene una collisione modellata come un impulso lungo l’asse z.

14. Corrente giunto 1 Corrente giunto 2 HPF LPF Corrente giunto 3

15. Test 2 Il manipolatore è fermo in posizione q=(0° 0° 0°) quando all’istante t=10s inizia un approccio morbo modellato come un segnale a rampa lungo l’asse z.

16. Corrente giunto 1 Corrente giunto 2 HPF LPF Corrente giunto 3

17. Test 3 Il manipolatore parte da una configurazione iniziale q=(90° 90° 90°) ed è comandato con un profilo di accelerazione cosinusoidale di ampiezza 4π e frequenza 2π rad/s, integrato per ottenere il riferimento di posizione. All’istante t=10s, è applicata una forza impulsiva lungo l’asse y.

18. Corrente giunto 1 Corrente giunto 2 HPF LPF Corrente giunto 3

19. Test 4 Il manipolatore parte da una configurazione iniziale q=(90° 90° 90°) ed è comandato con un profilo di accelerazione cosinusoidale di ampiezza 4π e frequenza 2π rad/s, integrato per ottenere il riferimento di posizione. All’istante t=10s, inizia il contatto volontario lungo l’asse y.

20. Corrente giunto 1 Corrente giunto 2 HPF LPF Corrente giunto 3

21. Conclusioni Dai test effettuati si evince che questa tecnica basata sul segnale di corrente è un buono strumento per effettuare collision-detection e cooperazione uomo-robot pur non avendo a disposizione i sensori di forza. Una volta che il manipolatore sarà in grado di discriminare una collisione inaspettata da un contatto volontario potrà agire di conseguenza. Nel primo caso ad esempio potrà fermare l’esecuzione del task per qualche secondo permettendo la messa in sicurezza dell’uomo, nel secondo caso potrà portarsi in una modalità di cooperazione, lasciandosi spostare dall’essere umano oppure avere un comportamento ”compliant like”, assecondando i movimenti dell’uomo per poi riassumere la posizione iniziale