Diseño y simulación de un controlador de impedancia en robots manipuladores para interacción con superficies irregulares

Abstract

Los manipuladores robóticos son incluidos en actividades que implican su interacción con objetos y seres vivos. Para asegurar el correcto desarrollo de tales actividades es necesario que el robot sea controlado tomando en cuenta restricciones cinemáticas y dinámicas específicas. Dependiendo del sistema de sensado, estas restricciones pueden ser definidas antes de iniciar alguna actividad o estimadas durante el trayecto del robot. En este trabajo de tesis, se presenta el diseño de un sistema de control de impedancia para el robot UR5 sin el uso de sensores externos. Este sistema permite que el robot se desplace de posiciones y orientaciones iniciales, a deseadas específicas, admitiendo interacciones entre este y objetos de superficie irregular durante su trayecto. Para conseguir una interacción delicada, sin afectar la convergencia del robot hacia el estado deseado, se define un comportamiento dinámico en la descripción del controlador. Este comportamiento es definido como una impedancia mecánica compuesta por elementos lineales de rigidez, amortiguamiento e inercia. El desempeño del controlador propuesto es evaluado a través de simulaciones dinámicas del robot UR5 desarrolladas en dos ambientes. Un ambiente permite el movimiento del robot sin restricciones, mientras que el otro presenta un objeto que interfiere en su trayectoria. Para ambos ambientes, se compara el desempeño del controlador por impedancia y un controlador de posición clásico. Los resultados muestran que, en un ambiente sin restricciones, ambas formulaciones convergen al estado deseado. Sin embargo, en casos donde el robot interactúa durante su trayectoria, el controlador por impedancia es el único que converge a la posición y orientación deseadas.

Robotic manipulators are included in tasks that imply interaction with objects and living beings. It is necessary to control the robot taking into account specific kinematic and dynamic constraints to ensure excellent performance in these activities. Depending on the sensing systems, these constraints could be set before the robot starts to perform any task, or estimated during its operation. In this work, we present a control system design for the UR5 robot considering no exteroceptive force/torque sensing. This controller allows the robot to move from an initial pose to a desired one handling possible interactions of the robot’s end-effector with uneven surface objects during its trajectory. A dynamic desired behavior is defined in the controller’s synthesis to achieve a gentle interaction without affecting the convergence of the robot to the desired state. This desired behavior is chosen as a mechanical impedance conformed by linear elements of inertia, damping and stiffness. The performance of the proposed impedance controller is tested by simulating dynamically the controlled UR5 robot in two environments. One of these allows the robot to move in space without external constraints, while the other has an object positioned in order to interfere with the robot’s trajectory. For both environmets, the impedance controller is evaluated by comparing it to the robot’s behavior when it is controlled in position. The results show that, in an unconstrained environment, both formulations converge to the desired pose. However, in cases where the robot interacts during its trajectory, the behavior of the impedance controlled system clearly outperforms the position control.