Controllo robusto di forza per una struttura robotica articolata di tipo Body Extender

La tesi affronta la progettazione e la sintesi di un controllo robusto per un amplificatore di forza ad elevate prestazioni denominato Body Extender. Il Body Extender è un esoscheletro corpo intero a 22 gradi di libertà progettato e costruito dal laboratorio PERCRO della Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa. Il sistema è concepito per essere indossato da un operatore umano e muoversi in coerenza con i suoi movimenti, sgravando i pesi e le inerzie della sua struttura e dei carichi trasportati. Il livello di compensazione del carico viene inoltre ridotto a una percentuale arbitraria, in modo da consentire una manipolazione naturale per l'operatore. Per tali motivi nella progettazione del controllo si è dovuto tenere conto della presenza dell'uomo che causa notevoli variazioni dei parametri (massa e rigidezza), della elasticità della trasmissione, e delle differenti situazioni di esercizio della macchina, quali variazioni di carico e interferenza con l'ambiente. Il funzionamento della macchina deve garantire una adattività a tutti i suddetti effetti. Il controllo realizza un comportamento dell'esoscheletro pari ad un amplificatore di forze; nel caso in cui il movimento dell'operatore sia libero risulta invece trasparente per l'utilizzatore. La struttura del controllo presenta due anelli principali: uno più interno che si occupa dell'inseguimento delle traiettorie, implementato con un controllo a dinamica inversa adattivo; mentre l'anello esterno genera il riferimento simulando la pura massa virtuale agli organi di presa. L'anello interno di controllo compensa inoltre l'elasticità concentrata ai giunti annullandone gli effetti dinamici nell'intorno della traiettoria. L'anello esterno utilizza la forza misurata dal sensore per generare un riferimento in accelerazione che viene opportunamente integrato per determinare i riferimenti di velocità e posizione. Un ultimo modulo si occupa della stima delle forze esterne per la corretta amplificazione di forza e per il funzionamento del controllo in posizione. Considerando la natura non stazionaria del modello da identificare, la stima dei carichi viene effettuata con un operatore a media mobile basato su un algoritmo di regressione non lineare. L'analisi della stabilità del sistema è stata effettuata tramite il luogo delle radici, e quindi verificata nei parametri incerti con il software Mathematica. E' stata inoltre programmata un interfaccia in python per il log e la visualizzazione realtime delle variabili di stato del sistama. L'implementazione del controllo progettata in ambiente Simulink di MATLAB usa il real-time Workshop opportunamente configurato, e può essere eseguire gli schemi direttamente nel robot. Sono state effettuate prove sperimentali su un modello di ridotta complessità per verificare le proprietà dinamiche degli algoritmi sviluppati. Sono infine stati effettuati test sulla struttura completa. I risultati delle prove sperimentali hanno evidenziato un accordo con l'analisi teorica realizzata sia in termini di stabilità sia di prestazione