Studio di tecniche di controllo per Studio di tecniche di controllo per manipolatori robotici a cedevolezza variabile.manipolatori robotici a cedevolezza variabile.Università degli studi di Pisa

Studio di tecniche di controllo per Studio di tecniche di controllo per

manipolatori robotici a cedevolezza variabile.

manipolatori robotici a cedevolezza variabile.

Università degli studi di Pisa

Facoltà di Ingegneria

Indirizzo Automatica e Sistemi di Automazione Industriale

Relatori: Ch.mo Prof. Ing. Antonio Bicchi Prof. Ing. Andrea Caiti

Ing. Giovanni Tonietti

A.A. 2002/2003

Tesi di laurea in Ingegneria Informatica

Candidato: Michele Bavaro

Organizzazione della presentazione Organizzazione della presentazione

Obiettivo: concretizzare il concetto di un robot intrinsecamente sicuro.

• Il ruolo della robotica oggi.

• Il binomio problematico tra "Sicurezza" e

"Prestazioni" nella service robotics.

• Metodi di co-design meccanico/controllistico che garantiscono sicurezza e prestazioni.

• Un paragone oggettivo tra i differenti approcci.

• Conclusioni.

Il ruolo della robotica oggi.

Il ruolo della robotica oggi.

Il binomio problematico tra "Sicurezza" e

"Prestazioni" nella service robotics.

Esistono due possibili approcci:

Le politiche di progetto per assicurare la sicurezza.

Hardware:

 Struttura rigida e pesante;

 Attuatori potenti e veloci.

Software:

 Controllo di forza e impedenza;

 Fault-recovery.

Hardware:

 Struttura leggera e flessibile;

 Attuatori cedevoli e poco ridotti.

Software:

 Recupero errori di posizione;

 Eliminazione dei disturbi.

Il binomio problematico tra "Sicurezza" e

"Prestazioni" nella service robotics.

Valutare la sicurezza:

l'indice di sicurezza per un manipolatore.

Quantificare il grado di sicurezza di un manipolatore rappresenta una questione

aperta.

Nell'urto di un oggetto contano:

 la sua inerzia^;

 la sua velocità^.

Gli studi più avanzati sulla pericolosità degli impatti sono dell'industria automobilistica.

La parte del corpo più a rischio è la testa!

Il binomio problematico tra "Sicurezza"

e "Prestazioni" nella service robotics.

Valutare la sicurezza:

L'indice dell'HIC (Head Injury Criterion).

Proposto al SAE (Versace, J.) nel 1971:

speed

time

Posizione

Velocità

Il binomio problematico tra "Sicurezza" e

"Prestazioni" nella service robotics.

Si sfrutta il principio del massimo di Pontryagin.

Valutare le prestazioni:

Il controllo ottimo nel senso del tempo minimo.

Esempio:

Indice di

performance

Vincoli

Il binomio problematico tra "Sicurezza" e

"Prestazioni" nella service robotics.

Valutare le prestazioni:

L'algoritmo per sistemi lineari.

Si parte da un sistema LTITC.

Vogliamo il tempo minimo.

Si scrive l'equivalente discreto.

Si riordinano i termini.

Si ottiene un problema di PL.

Il binomio problematico tra "Sicurezza" e

"Prestazioni" nella service robotics.

Valutare le prestazioni:

L'algoritmo per sistemi non-lineari.

Fissato T si valuta la fattibilità del controllo del sistema

nell'origine dello spazio di stato.

E' possibile valutare i vincoli sui campioni corrispondenti per le variabili di stato.

Abbiamo un sistema NL.

 Discretizziamo con passo T_step ;

 Prendiamo come variabili i campioni dell'ingresso agli istanti k  ;

  >> T_step.

 Esplorazione;

 Bisezione.

Il binomio problematico tra "Sicurezza" e

"Prestazioni" nella service robotics.

Tempo minimo

Valore di HIC consentito

Più è stringente il vincolo sulla

sicurezza

più peggiorano le

prestazioni

del sistema meccanico.

Con una struttura rigida

non si puo' fare meglio.

Metodi di co-design meccanico/controllistico

che garantiscono sicurezza e prestazioni.

(Pratt & Williamson, 1995)

Si introduce un elemento elastico nella trasmissione.

PRO

 Controllo di forza effettuato con un controllo di posizione;

 Riduzione dell'inerzia riflessa.

CONTRO

 Introduzione di modi complessi nel sistema;

 Perdita di prestazioni.

Metodi di co-design meccanico/controllistico

che garantiscono sicurezza e prestazioni.

Si distribuisce la sorgente di coppia su due attuatori.

(Zinn, Khatib, Roth & Salisbury, 2002)

1 2

Low frequency (Series Elastic) base actuator

High frequency joint actuator

Agiscono due attuatori contemporaneamente.

I motori sono fisicamente lontani sulla struttura.

Metodi di co-design meccanico/controllistico

che garantiscono sicurezza e prestazioni.

Si varia dinamicamente la rigidezza della trasmissione.

(Bicchi & Tonietti, 2002)

INTUITIVAMENTE



Veloce;



Cedevole.



Lento;



Rigido.

velocitàrigidezza

tempo

Un paragone oggettivo tra i differenti approcci.

posizione tempo

coppiavelocità

Un paragone oggettivo tra i differenti approcci.

tempo

posizione

coppievelocità

Un paragone oggettivo tra i differenti approcci.

Tempo minimo

Costante elastica della trasmissione

− SEA

− DM²

Un paragone oggettivo tra i differenti approcci.

tempo

velocità-rigidezzavalori di HIC

tempo

Un paragone oggettivo tra i differenti approcci.

Tempo minimo

Costante elastica della trasmissione

− DM²

− VST ^(teorico)

Conclusioni.



RISULTATI:

Sono state definite univocamente metodologie per quantificare "sicurezza" e "prestazioni" per i

manipolatori robotici.

In base a questi criteri, nel rispetto dei vincoli di sicurezza, il VST permette prestazioni mediamente migliori del 15%.



SVILUPPI FUTURI:

 Nuovi attuatori a cedevolezza variabile.

 Nuove tecniche di controllo per architettura VST.