Control strategies for redundant and mobile robotic manipulators subject to multiple constraints

The collaboration between humans and robotic workers in productive scenarios is likely to become central in the industry of the next future. The combination of the best features of these two players, that is the dexterity and adaptability of humans compared to the repeatability and tirelessness of robots, could in fact be the key ingredient to maintain a high level of competitiveness in the manufacturing field of developed countries, despite their comparatively high labor cost. New robots explicitly designed to work with humans are now available, opening new and largely unexplored possibilities for human-robot collaborative operations within the industry. However, a number of issues must still be solved before an industrial application of such collaborations is actually possible. The main problems are related to human safety and robot adaptability, and they require the development of new methods and technologies for robot control. This thesis tackles the above issues by developing reactive and sensor-based control strategies that exploit the kinematic redundancy typical of collaborative robots in order to enhance human safety. The problem is first addressed considering traditional, fixed-base and not inherently redundant industrial manipulators, defining and experimentally validating a reactive control scheme aimed at allowing safe human-robot coexistence. The approach is then extended to the case of mobile manipulators, where a constrained optimization approach to robot control is designed and validated experimentally to increment human safety and robot autonomy for collaborative tasks in human-populated (and thus dynamic) environments.

Nello scenario industriale dei prossimi anni, la collaborazione tra lavoratori umani e robot diventerà di primaria importanza. L'integrazione delle caratteristiche fondamentali di questi due "giocatori", ovvero la destrezza e adattabilità dell'uomo combinata alla ripetibilità e instancabilità tipica dei robot, potrebbe infatti rivelarsi come l'elemento chiave per mantenere alti livelli di competitività e produttività nei paesi sviluppati, dove il costo del lavoro è tipicamente molto elevato. Un numero crescente di robot viene ora progettato specificatamente per poter lavorare a contatto con le persone, aprendo nuove possibilità di cooperazione uomo-robot nell'ambito industriale, in gran parte ancora da esplorare. Tuttavia, prima che tale collaborazione sia effettivamente utilizzabile in applicazioni industriali, è necessario risolvere diverse problematiche. Esse sono principalmente legate alla sicurezza dell'uomo e all'adattabilità e flessibilità dei robot, e richiedono pertanto lo sviluppo di nuovi metodi e tecnologie per il controllo dei robot stessi. In questa tesi, le problematiche appena evidenziate sono state affrontate sviluppando strategie di controllo reattive e sensor-based, che sfruttano la ridondanza cinematica tipica dei robot collaborativi per aumentare il livello di sicurezza dei collaboratori umani. Inizialmente sono stati presi in considerazioni manipolatori robotici industriali tradizionali non intrinsecamente ridondanti e aventi base fissa. E' stata definita e validata sperimentalmente una strategia di controllo reattiva tesa a permettere una coesistenza sicura di uomini e robot in ambito industriale. Tale approccio è stato quindi esteso al caso di manipolatori robotici con base mobile, definendo e validando sperimentalmente una strategia di controllo basata su uno schema di ottimizzazione vincolata. Tale schema è volto a migliorare la sicurezza dell'uomo e ad aumentare l'autonomia dei robot nello svolgimento di task collaborativi in ambienti dinamici.