Riassunto analitico
In questa tesi viene presentato un primo studio sull’implementazione di un’architettura di controllo di un
robot collaborativo utilizzato in attività di tipo riabilitativo. Dopo un’analisi approfondita dello stato
dell’arte dei sistemi robotici normalmente utilizzati per scopi terapeutici, si sono individuate diverse
strategie di controllo adatte a gestire l’interazione paziente-robot, ovvero variabili rispetto ai progressi
durante la terapia del paziente. Il grado di vincolamento nello svolgimento di un esercizio deve via via
diminuire per aumentare il coinvolgimento del paziente. In particolare, sono analizzate strategie di
controllo che rendono il robot cedevole, variando la sua impedenza o ammettenza. Si è incominciato,
quindi, con l’individuazione e lo sviluppo degli strumenti necessari ad implementare tali strategie: per avere
a disposizione funzioni fondamentali da inserire negli algoritmi di controllo, si sono definiti i modelli
cinematico e dinamico del robot. Successivamente, si è definito un protocollo di comunicazione per
scambiare dati dall’ambiente di controllo al robot in tempo reale. Un altro importante aspetto analizzato
riguarda la misura della forza esercitata dal paziente sul robot. In particolare, si presenta un metodo che
permette di stimare tale forza evitando l’utilizzo di sensori di forza/coppia esterni. Tale stima è, peraltro,
molto utile al terapista per avere a disposizione una misura oggettiva per la valutazione del recupero del
paziente. Presentati gli algoritmi di controllo individuati, si passa alla parte sperimentale del lavoro. Alcuni
test sono stati svolti esclusivamente da un punto di vista simulativo, altri sono stati svolti direttamente sul
robot collaborativo a disposizione: ABB YuMi Single Arm. Vengono, quindi, presentati i risultati ottenuti nei
test ed, infine, vengono chiariti quelli che possono essere gli sviluppi futuri di questo progetto.
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Abstract
This thesis presents a first study regarding the implementation of a control architecture for a collaborative robot used in rehabilitation activities. After a deep research on the state of the art of robotics systems commonly used in therapies, we identified several control strategies, which are suitable to manage the patient-robot interaction, and which vary in relation to the patient’s progress. The constraints in the performance of an exercise must gradually decrease to increase the patient involvement. More specifically, these control strategies aim to make the robot compliant, varying its mechanical impedance or admittance. First of all, in order to implement them, the necessary tools have been developed: with the aim of having available basic functions to put into the algorithms, we defined the kinematic and dynamic models of the robot. Secondly, we determined a protocol for the communication between the robot and the control environment, so as to be able to exchange data in real time. Another important aspect analyzed in this work concerns the measure of the external force exerted by the patient on the robot end-effector. In particular, we present a method that allows to estimate such force, without the need for an external force/torque sensor. Moreover, this estimation is extremely useful for the therapist , since it provides him with an objective measure for the evaluation of the patient’s recovery. After having introduced the identified algorithms, we move on to illustrate the experimental part of the work. Some tests have been performed only in simulations, others directly on the collaborative robot available: ABB YuMi Single Arm. The results have been discussed and, in the end, some advices have been proposed for future developments of the project.
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