Stiffness Estimation and Adaptive Control for Soft Robots

Autor: Trumić, Maja
Přispěvatelé: FAGIOLINI, Adriano, TINNIRELLO, Ilenia, Fagiolini, Adriano, Jovanović, Kosta, De Luca, Alessandro, Vukosavić, Slobodan, Della Santina, Cosimo
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Универзитет у Београду
Popis: Nonostante la sorprendente crescita nello sviluppo dei robot ispirati alla natura, tra cui i cosiddetti soft robot, il potenziale di questi sistemi, che hanno intrinseche capacità di adattamento, non è ancora stato sfruttato a pieno. La ricerca ha principalmente considerato il controllo in retroazione della posizione dei giunti del robot, lasciando la gestione della cedevolezza di questi ultimi ancora in anello aperto. Peraltro, le attuali limitazioni nel processo di produzione degli attuatori a cedevolezza variabile e l'inevitabile variabilità nel tempo degli elementi elastici costitutivi, i quali sono soggetti ad usura e deformazione plastica, rendono il problema della determinazione precisa della rigidezza di giunto ancora oggi una sfida. In tale ambito, questa tesi pone l'accento sulla stima della rigidezza e sul controllo adattativo dei soft robot, considerando in primis i sistemi articolati e pilotati da attuatori a cedevolezza variabile (VSA) in configurazione antagonista. Ciò viene fatto con l'obiettivo primario di imporre simultaneamente una dinamica desiderata sia per la posizione che per la rigidezza e, conseguentemente, di migliorare la sicurezza fisica e le prestazioni di un soft robot. Basandosi sulla teoria degli osservatori ad ingresso sconosciuto (UIO), in questo lavoro vengono proposte soluzioni, invasive e non, che consentono di stimare la rigidezza nei robot con attuatori pneumatici o elettromeccanici, soluzioni che nel secondo caso vengono anche validate sperimentalmente. Oltre al vantaggio della linearità e della scalabilità, le suddette soluzioni hanno l'interessante caratteristica di non richiedere l'uso di sensori di coppia o velocità. Sfruttando così la disponibilità di una stima della rigidezza, il lavoro descrive inoltre dei metodi innovativi per il controllo robusto dei soft robot articolati, il cui schema include un compensatore adattativo e un disaccoppiatore dinamico. Detti metodi possono gestire le incertezze nella conoscenza del modello dinamico del robot e, quando il riferimento della rigidezza è costante o lentamente variabile, anche quelle relative all'attuatore pneumatico. La loro verifica è valutata attraverso delle simulazioni e, nel caso pneumatico, anche per via sperimentale. Infine, la tesi mostra come estendere le tecniche di controllo adattativo ai sistemi robotici con cedevolezza distribuita lungo l'intero corpo del robot, garantendo formalmente la convergenza del controllore. L'efficacia di questa tecnica adattativa è mostrata attraverso una estensiva simulazione. Although there has been an astonishing increase in the development of nature-inspired robots equipped with compliant features, i.e. soft robots, their full potential has not been exploited yet. One aspect is that the soft robotics research has mainly focused on their position control only, while stiffness is managed in open loop. Moreover, due to the difficulties of achieving consistent production of the actuation systems for soft articulated robots and the time-varying nature of their internal flexible elements, which are subject to plastic deformation over time, it is currently a challenge to precisely determine the joint stiffness. In this regard, the thesis puts an emphasis on stiffness estimation and adaptive control for soft articulated robots driven by antagonistic Variable Stiffness Actuators (VSAs) with the aim to impose the desired dynamics of both position and stiffness, which would finally contribute to the overall safety and improved performance of a soft robot. By building upon Unknown Input Observer (UIO) theory, invasive and non-invasive solutions for estimation of stiffness in pneumatic and electro-mechanical actuators are proposed and in the latter case also experimentally validated. Beyond the linearity and scalability advantage, the approaches have an appealing feature that torque and velocity sensors are not needed. Once the stiffness is determined, innovative control approaches are introduced for soft articulated robots comprising an adaptive compensator and a dynamic decoupler. The solutions are able to cope with uncertainties of the robot dynamic model and, when the desired stiffness is constant or slowly-varying, also of the pneumatic actuator. Their verification is performed via simulations and then the pneumatic one is successfully tested on an experimental setup. Finally, the thesis shows via extensive simulations the effectiveness of adaptive technique applied to soft-bodied robots, previously deriving the sufficient and necessary conditions for the controller convergence.
Databáze: OpenAIRE
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