ETD

• sensorless strategies

Robotic hands are becoming increasingly important in prosthetic, assistive, and collaborative robotics applications, where safe interaction with both users and the surrounding environment is a fundamental requirement. Unlike the human hand, however, robotic systems do not naturally perceive physical contact or automatically regulate the interaction force during manipulation. For this reason, many existing solutions rely on dedicated tactile or force sensors that directly measure contact. Although these sensors provide valuable information, they also increase system complexity, cost, and integration requirements.
An alternative is represented by sensorless approaches, which estimate the interaction using only the measurements already available at the actuator level. In tendon-driven robotic systems, however, the motor torque is influenced not only by external contacts but also by transmission friction and the passive mechanical behaviour of the finger. As a consequence, estimating the external interaction torque from motor measurements alone is a challenging problem.
The objective of this thesis is the development and experimental validation of a sensorless observer capable of estimating the external interaction torque of a tendon-driven robotic finger using only motor-side measurements, namely current, position, and velocity. The proposed methodology first identifies the current-to-torque relationship of the actuator through experimental calibration. The main internal torque contributions are then characterized by modelling the transmission friction and the passive finger torque. These experimentally identified models are finally combined within a sensorless observer that compensates for the internal effects and estimates the torque generated by external interactions.
The observer was validated through a progressive experimental campaign. Free-motion experiments were first carried out to characterize the observer residual in the absence of external contacts and to define a statistically based detection threshold. Controlled contact experiments using a force dynamometer were subsequently performed to verify the relationship between the estimated interaction torque and the measured contact force while investigating different contact configurations. The observer was then integrated into a real-time force-limiting strategy that automatically stopped the robotic finger when the estimated interaction torque exceeded the selected threshold. Finally, the proposed approach was validated on a two-finger robotic system through grasping experiments involving objects with different geometries and mechanical properties, using the same observer formulation and the same detection threshold throughout all the experiments.
The experimental results demonstrate that the proposed observer reliably detects external contacts without requiring dedicated sensing hardware. Furthermore, the developed force-limiting strategy successfully limited the interaction force to approximately 2 N under the investigated operating conditions. The final two-finger validation further confirmed the robustness of the proposed approach, showing that the same observer could be applied to representative grasping tasks without additional parameter tuning.
Overall, this work demonstrates the feasibility of sensorless interaction torque estimation for tendon-driven robotic fingers and provides a solid foundation for future developments aimed at extending the methodology to complete robotic hands and integrating the observer into advanced grasp control strategies.

Le mani robotiche rappresentano una delle tecnologie più promettenti per applicazioni in ambito protesico, assistivo e collaborativo, dove è fondamentale garantire un'interazione sicura con l'ambiente e con l'utilizzatore. A differenza della mano umana, tuttavia, i sistemi robotici non dispongono di una naturale capacità di percepire il contatto e di modulare automaticamente la forza esercitata durante la manipolazione degli oggetti. Per questo motivo, molte soluzioni presenti in letteratura prevedono l'integrazione di sensori tattili o di forza dedicati, che consentono di misurare direttamente l'interazione ma comportano un aumento della complessità, dei costi e delle difficoltà di integrazione del sistema.
In questo contesto si inseriscono gli approcci sensorless, che mirano a stimare il contatto sfruttando esclusivamente le grandezze già disponibili a livello dell'attuatore, evitando l'impiego di sensori aggiuntivi. Tuttavia, nei sistemi tendon-driven la coppia misurata al motore non dipende esclusivamente dal contatto con l'ambiente, ma comprende anche i contributi dovuti all'attrito della trasmissione e al comportamento passivo del dito, rendendo particolarmente complessa l'identificazione della sola coppia di interazione.
L'obiettivo di questo lavoro è lo sviluppo e la validazione sperimentale di un osservatore sensorless in grado di stimare la coppia di interazione esterna di un dito robotico tendon-driven utilizzando unicamente le misure disponibili lato motore, ovvero corrente, posizione e velocità. La metodologia proposta prevede innanzitutto l'identificazione sperimentale del modello di conversione corrente-coppia del motore. Successivamente vengono caratterizzati i principali contributi interni che influenzano la misura di coppia, attraverso la modellazione dell'attrito della trasmissione e della coppia passiva del dito. I modelli identificati vengono infine combinati all'interno di un osservatore che consente di compensare i contributi interni e stimare la coppia dovuta esclusivamente all'interazione con l'ambiente.
La validazione sperimentale è stata organizzata secondo un percorso progressivo. In una prima fase sono stati eseguiti esperimenti in moto libero per caratterizzare il comportamento dell'osservatore in assenza di contatto e definire una soglia di rilevamento basata sull'analisi statistica del residuo. Successivamente sono stati realizzati esperimenti di contatto controllato mediante un dinamometro, che hanno permesso di verificare la correlazione tra la coppia di interazione stimata e la forza realmente misurata, analizzando inoltre l'influenza di differenti configurazioni di contatto. L'osservatore è stato quindi integrato all'interno di una strategia di limitazione della forza in tempo reale, utilizzata per arrestare automaticamente il movimento del dito al superamento della soglia di rilevamento. Infine, il metodo è stato validato su un sistema a due dita mediante prove di presa su oggetti caratterizzati da differenti geometrie e proprietà meccaniche, mantenendo invariati sia l'osservatore sia la soglia di rilevamento identificata nelle fasi precedenti.
I risultati sperimentali dimostrano che l'osservatore proposto è in grado di rilevare in modo affidabile il contatto esterno senza l'impiego di sensori dedicati. Inoltre, la strategia di limitazione della forza sviluppata ha consentito di limitare la forza di contatto a circa 2 N nelle condizioni sperimentali investigate, mentre la validazione finale ha evidenziato la capacità del metodo di operare anche durante prove di presa a due dita senza richiedere alcuna ricalibrazione.
Nel complesso, il lavoro dimostra la fattibilità di un approccio sensorless per la stima della coppia di interazione in mani robotiche tendon-driven e rappresenta una base per futuri sviluppi orientati all'estensione del metodo all'intera mano robotica e all'integrazione dell'osservatore in strategie avanzate di controllo della presa.