Pianificazione online di traiettorie ottime su percorsi assegnati con vincoli dinamici per robot industriali

Nowadays researchers are interested more and more in designing solutions that optimize industrial robot’s motion. One key research activity is to make the manipulator able to complete its task in the minimum possible time. In this Thesis we discuss the development of a controller for industrial serial robots that solves the problem of calculating the trajectory on a given path. The path is not decided by the controller, but is obtained from other controllers at a higher hierarchical level. On that path, the controller computes a time law that allows the robot to complete its motion in the minimal possible time. Several planners are similar to the one here developed have been presented in the literature, however the majority of them plan the trajectory offline. So the robot is forced to follow the decided trajectory without the possibility of changing the path during the accomplishment of its task. It could be necessary to change the path for example to avoid unexpected obstacles or to manage unexpected events (interaction with human). The controller presented in this Thesis has the advantage of planning the trajectory online, so it is potentially able to manage modifications in the given path during robot’s movement. Moreover the controller is able to handle paths with a large variety of shapes. The calculated trajectory is subject to costraints. It is possible to choose two kind of costraints: "kinematics" costraints and "dynamic" costraints. The first kind are upper and lower bounds for the joint accelerations and velocities, while the second kind are upper and lower bounds for the actuators torques. Anyway it is possible to assign both bounds. The designed algorithm establishes motion along the path step by step, by deciding the actual acceleration along the path. The decision is based on the result of an internal simulation played by the controller, that has the object of forecasting the behaviour of the robot in the near future. The key feature of the algorithm is that the required calculation time is quite lower than tipical calculation time of available offline solvers.

La ricerca nel campo della robotica si occupa sempre più di sviluppare soluzioni che ottimizzino il moto dei manipolatori industriali, in particolare per far sì che questi compiano le operazioni loro assegnate nel minor tempo possibile. Il presente lavoro di tesi ha riguardato la realizzazione di un controllore per robot industriali seriali dedito alla pianificazione di traiettorie ottime su percorsi assegnati. Il percorso assegnato al robot non viene stabilito dal controllore sviluppato, ma si presuppone che venga dato come input. Su questo percorso il controllore calcola una legge oraria che consente al robot di completare il moto su quel percorso nel minor tempo possibile compatibilmente con una serie di vincoli. Sono già stati sviluppati pianificatori di traiettorie simili all’algoritmo oggetto della tesi, ma la maggior parte di questi ha il difetto di calcolare la traiettoria fuori linea, costringendo quindi il robot a seguire le traiettorie precedentemente pianificate, senza la possibilità di tenere conto di eventi inattesi che potrebbero richiedere una modifica reattiva del moto che il robot deve seguire, ad esempio per evitare ostacoli imprevisti. Il controllore qui sviluppato invece ha il pregio di pianificare la traiettoria online, quindi durante il funzionamento del manipolatore controllato ed è potenzialmente in grado di gestire aggiornamenti dei percorsi. Inoltre il controllore è in grado di gestire percorsi con una ampia varietà di possibili forme. I vincoli che possono essere attribuiti per il moto del robot sono suddivisibili in due categorie: "cinematici" e "dinamici". Per i primi si considerano accelerazioni e velocità massime e minime per i giunti del robot, mentre per i secondi si considerano limitazioni sulle coppie che gli attuatori del robot devono esercitare. Il controllore è comunque in grado di gestire simultaneamente entrambe le tipologie di vincoli. L’algoritmo di controllo decide il moto lungo il percorso assegnato man mano. Infatti a intervalli regolari di tempo viene stabilito dal controllore un certo valore di accelerazione da mantenere lungo il percorso. La decisione sul valore di accelerazione da adottare viene presa ogni volta in funzione dell’esito di una simulazione interna al controllore stesso, che ha lo scopo di prevedere nel futuro ravvicinato il comportamento del manipolatore. Il punto di forza dell’algoritmo risiede nei tempi di calcolo complessivi impiegati per decidere la traiettoria, che sono decisamente inferiori se comparati a quelli tipici di solutori offline attualmente esistenti. Per conseguire questo risultato è stato necessario ottimizzare i calcoli che complessivamente l’algoritmo di controllo esegue, trovando il giusto compromesso tra approssimazione della soluzione ottima e tempi di calcolo impiegati.