Interazione sicura uomo-robot basata sull'energia dissipata in potenziali impatti

In the industrial robotic world, the topic of man-machine collaboration has received increasing attention from different areas. Researchers are now facing new and interesting challenges in both designing the robot’s hardware and developing the control logic software, all in order to ensure the operator’s safety during man-machine interaction. The present work has been developed in the area of pre-impact control strategies, aiming at limiting the damage that would potentially be inflicted to a human operator following a collision, based on the quantitative description of a human-robot collision’s biomechanical effects. In particular, the kinetic energy dissipated in a potential inelastic impact will be considered as damage index. The theoretical study of the impacts between multibody systems allowed to obtain a more rigorous, yet generic, formulation of the energetic dissipation index in an inelastic collision, compared to the results obtained so far on that particular topic. Our work’s goal was to implement a control logic to ensure the proper tracking of a path assigned to the end-effector in the Cartesian space (path-following task), while maintaining the potential harm index below a threshold. The experimental results presented in the literature confirm the effectiveness of this type of strategy when the index is computed for a single pair of points, specifically, a point belonging to the robot and the other one belonging to the operator. The present study shows the implementation of a controller capable of limiting the potential damage index for several pairs of points, making the robot’s movement safer for the operator. For this, a depth sensor (specifically a Microsoft Kinect) had to be inserted within the experimental set-up. The information about the distance between the operator and the robot increased the efficiency of the path-following task, through the appropriate activation/deactivation of the constraints implemented inside the reactive controller. The effectiveness of the open loop control system has been verified by simulating the presence of obstacles in Matlab environment on a 7-degrees-of-freedom redundant robot model. Finally, the experimental tests performed on the ABB FRIDA robot allowed the validation of the control logic.

Nell’ampio panorama della robotica industriale, il tema della collaborazione tra uomo e macchina sta ricevendo attenzione crescente da parte di diversi settori. Nel mondo della ricerca, quindi, nascono nuove ed interessanti sfide sia nella progettazione hardware del robot sia nello sviluppo software di logiche di controllo che garantiscano la sicurezza dell’operatore durante l’interazione uomo-macchina. Il presente elaborato si colloca nell’ambito delle strategie di controllo pre-impatto, le quali, basandosi sulla descrizione quantitativa degli effetti biomeccanici di una collisione tra uomo e robot, sono in grado di tenere sotto controllo il danno che potenzialmente verrebbe inflitto all’essere umano in seguito ad un urto, prima che questo avvenga. In particolare, nel lavoro svolto è stato preso in considerazione, come indice di danno, l’energia cinetica dissipata in un potenziale urto anelastico. Lo studio teorico degli impatti tra sistemi multibody ha permesso di ottenere una formulazione rigorosa e allo stesso tempo più generale dell’indice di dissipazione energetica in un urto anelastico, rispetto ai risultati prodotti dalla ricerca bibliografica. L’obiettivo di questa tesi è stato, quindi, implementare una logica di controllo che garantisca il corretto tracciamento di un percorso assegnato all’end-effector nello spazio cartesiano (path-following task ) mantenendo, nel frattempo, l’indice di danno potenziale sotto una soglia imposta. I risultati sperimentali presenti in letteratura confermano l’efficacia di una strategia di questo tipo, per il caso in cui l’indice venga calcolato per una sola coppia di punti (un punto appartenente al robot ed un punto appartenente all’operatore). Il presente elaborato vede l’implementazione di un controllore in grado di mantenere limitato l’indice di danno potenziale per più coppie di punti, rendendo più sicuro il movimento del robot rispetto all’operatore. Per far questo, è stato necessario integrare un sensore di profondità (nello specifico Microsoft Kinect) all’interno del set-up sperimentale. L’informazione sulla distanza tra uomo e robot ha inoltre permesso di migliorare l’efficienza nell’inseguimento del riferimento, tramite l’opportuna attivazione/disattivazione dei vincoli all’interno del controllore reattivo. L’efficacia del sistema di controllo in anello aperto è stata verificata simulando la presenza di ostacoli in ambiente Matlab su un modello di robot ridondante a 7 gradi di libertà. Successivamente, le prove sperimentali eseguite sul robot ABB FRIDA hanno permesso la validazione della logica di controllo.