Modeling, simulation and control of a series elastic actuator for robotics applications

La regola di massima nel design di sistemi meccanici, e in particolare di robot, è di rendere l'interfaccia fra attuatore e carico il più rigida possibile. Questo consente di ottenere un controllo di posizione con banda più elevata, e quindi molto veloce e preciso. Questi dispositivi rigidi presentano una impedenza meccanica molto alta (idealmente infinita), e di conseguenza il robot oppone resistenza al movimento, e si muove verso le posizioni comandate indipendentemente dalle forze esterne eventualmente agenti sui giunti. Questi sono di norma aspetti positivi quando il robot non deve interagire con l'ambiente circostante, oppure quando questo ambiente è statico e perfettamente conosciuto. Al contrario, queste caratteristiche non sono auspicabili per robot che operano in ambienti sconosciuti oppure che devono portare a termine compiti che richiedono interazione fra robot e robot, o, ancora peggio, fra uomo e robot. Uno degli approcci più promettenti allo sviluppo di robot capaci di interagire in modo sicuro con l'ambiente mantenendo le caratteristiche di precisione e ripetibilità di posizionamento è quello degli attuatori serial-elastici (SEA). Dal punto di vista meccanico in questi dispositivi viene aggiunto di proposito un elemento elastico (di solito una molla) fra motore e carico, in aperto contrasto con la "regola" tradizionale sopra riportata, rendendo però il problema del controllo più complicato dal momento che vi è un completo disaccoppiamento dinamico fra il lato motore (dove la coppia motrice viene applicata) e il lato carico (cioè la posizione del giunto da controllare). In questo contesto, questa tesi si occupa della modellazione e simulazione di un attuatore serial-elastico del robot FourByThree negli ambienti Matlab/Simulink e ROS/GAZEBO, e dello sviluppo di leggi di controllo sia model-based basate su Filtro di Kalman che adaptive, basate su Model Reference Adaptive Control.