Controllo di un giunto di manipolatore industriale con azione anti-wind-up.

Abstract

L’obiettivo di questa tesi è quello di sviluppare il sistema di controllo di un giunto di un robot a 7 DoFs (Franka Emika Panda) che risolva i problemi dovuti alla saturazione sulla coppia degli attuatori. Dopo aver disaccoppiato la dinamica del manipolatore, si è progettato un PID, implementando l’architettura Derivative on Measurement con lo scopo di evitare i transitori impulsivi. Si è implementato uno schema Anti-Windup basato sulla tecnica Back-Calculation, dopo averne dimostrato l’equivalenza con lo schema di desaturazione classico. L’algoritmo, discretizzato tramite il metodo di Tustin, interviene scaricando preventivamente la memoria dell’integratore non appena viene rilevata una differenza tra il comando ideale e la coppia erogata. L’architettura è stata testata prima in simulazione Python e poi implementata sul manipolatore reale tramite lo sviluppo di un bridge UDP in C++ real-time a 1 kHz. L’analisi dei risultati sperimentali su traiettorie a gradino e onda quadra ha dimostrato l’efficacia dello schema di Anti-Windup: il sistema elimina l’overshoot, ottimizza i tempi di assestamento e garantisce un tracking fluido, riducendo le sollecitazioni meccaniche sui riduttori del robot rispetto al controllore PID senza lo schema di Anti-Windup.

The objective of this thesis is to develop a control system for a joint of a 7-DoF robot (Franka Emika Panda) to resolve issues caused by actuator torque saturation. After decoupling the manipulator's dynamics, a PID controller was designed using a Derivative-on-Measurement architecture to prevent impulsive transients. An Anti-Windup scheme based on the Back-Calculation technique was implemented, following a demonstration of its equivalence to the classic desaturation scheme. The algorithm, discretized using the Tustin method, intervenes by proactively discharging the integrator's memory as soon as a discrepancy is detected between the ideal command and the delivered torque. The architecture was first tested in Python simulations and subsequently implemented on the real manipulator by developing a real-time C++ UDP bridge operating at 1 kHz. The analysis of experimental results on step and square-wave trajectories demonstrated the effectiveness of the Anti-Windup scheme: the system eliminates overshoot, optimizes settling times, and ensures smooth tracking, thereby reducing mechanical stress on the robot's gear reducers compared to a PID controller without the Anti-Windup scheme.