Controllo basato su ottimizzazione vincolata per l'interazione sicura uomo-robot

The employment of robots in the industry is by now widespread. This led to the need of an accurate analysis of the safety risks in working enviroments. This is due to the growing demand for strict interaction between industrial manipulators and human operators. However, the state of the art in robotics does not allow a safe collaboration between humans and robots. For this reason, the existing standars prescribe a separation between the human workspace and the enviroment where the robots are installed. This thesis belongs to the mainstream of research that develops methods to accomplish a better and safer human-robot interaction. The purpose of this work is to implement an algorithm that could find a compromise between the efficiency requirements, that are necessary to have a better industrial result, and those of the safety of human workers. This goal is achieved by combining a trajectory generation algorithm with a constraint-based optimization problem, to produce a task trajectory for the robot. In this way it is possible to jointly specify safety and production requirements. The distances between any obstacles and the robotic arm are used to define the safety constraints for the algorithm. Those distances are measured by the use of the technology of the distributed distance sensor. Together with several simulations, to test the algorithm, many experiments have been carried out also integrating some grippers from SCHUNK installed on the dual arm robot ABB FRIDA. These ones were applied to the robotic arm to emulate the situation that can be found in the industrial environment. The results of the experiments show that the algorithm is capable of handling many dangerous situations of possible collisions with an obstacle both still and moving, adopting effective evasive actions. In the end many possible improvementes are discussed. One example could be the split of the computational burden between many computers running in parallel. Another could be the use of the Kinect technology to obtain more precise information of the environment around the robot.

L'utilizzo dei robot in ambito industriale è diventato sempre più diffuso e capillare. Ciò ha portato alla necessità di un'attenta analisi delle problematiche relative alla sicurezza degli ambienti di lavoro, che vedono un sempre più stretto contatto tra operatori umani e robot. Come è noto, la tecnologia attuale non consente ancora una sicura collaborazione uomo-robot. Per ovviare a tale problema, le normative attualmente vigenti prevedono una netta separazione tra ambienti in cui operano i manipolatori robotici e quelli in cui lavorano gli operatori umani. Questo progetto di tesi si inserisce nell'ambito delle ricerche volte a studiare le metodologie che rendano possibile una migliore cooperazione uomo-robot. Lo scopo di questa tesi è quindi quello di implementare un algoritmo che cerchi di mediare tra i requisiti di efficienza necessari alle industrie e quelli di sicurezza degli operatori umani. Per raggiungere questo obbiettivo, si utilizza un algoritmo di generazione della traiettoria da far compiere ad un manipolatore robotico all'interno di un problema di ottimizzazione vincolata. Tale problema, per come è strutturato, permette la specifica dei requisiti di sicurezza e di efficienza produttiva. Per definire i vincoli di sicurezza si utilizzano le distanze di eventuali ostacoli dal braccio robotico. Tali distanze sono ottenute integrando la tecnologia del sensore di distanza distribuito. Al fine di testare l'algoritmo, dopo aver implementato adeguate simulazioni, si sono realizzati vari esperimenti in cui vengono utilizzati anche una coppia di pinze SCHUNK applicati al braccio robotico, così da simulare una situazione simile a quelle che realmente si incontrano in ambito industriale. Da questi esperimenti è emerso come l'algoritmo riesca a gestire correttamente tutte quelle situazioni di potenziale collisione con un ostacolo, sia fisso che mobile, adottando efficaci manovre evasive. Si conclude discutendo i possibili sviluppi di questa tecnologia, come ad esempio la suddivisione del carico computazionale tra vari calcolatori in parallelo oppure l'utilizzo di strumenti diversi dal sensore di distanza distribuito,come il kinect, per ottenere le informazioni sull'ambiente circostante al robot, necessarie all'algoritmo.