Autonomous assembly of a pipette with a dual arm kinematically redundant robot

The growing demand for robotised solutions in small and medium enterprises has encouraged the research of new and innovative control strategies in recent years. These control strategies are characterized by a high degree of flexibility and generality, which allows for a swift and efficient set up of production processes. The first studies of cooperative multiple robots pointed out the need of force control strategies. These strategies are difficult to implement on conventional robots since control units are not usually endowed with all the features needed to implement complex control schemes. The use of force and torque sensors tends to be avoided in industry for many reasons such as cost and large occupied volume. The aim of this thesis is to investigate solutions for the cooperation between robot arms and the development of possible cooperative strategies involving humans and robots. This cooperation must be implementable on existing industrial controller. A particular attention has been devoted to constraint-based trajectory generation algorithms with the aim to translate operation specifications into reference signals for the robot. These specifications are defined at higher level through different tasks. Force control strategies will be included in the definition of the task. In this thesis we have formalized an operation for a dual arm kinematically redundant robot: the capping of a pipette. An optimization based algorithm bounded by several constraints for the execution of the operation has been implemented and verified. The control algorithm has also been extended to include sensorless implementation of force measures and impedance filter used in order to correct position and orientation errors. The final aim of this work is to show that it is possible to obtain the execution of any dual arm task in an easy way.

Negli ultimi anni la crescente richiesta di soluzioni robotizzate per le piccole e medie imprese ha favorito la ricerca di nuove ed innovative strategie di controllo. Tali strategie sono caratterizzate da un elevato grado di flessibilità che consente una configurazione rapida ed efficiente dei processi produttivi. I primi studi su ambienti robotizzati cooperativi hanno sottolineato la necessità di strategie di controllo di forza. Tali strategie risultano difficili da implementare sui robot convenzionali, in quanto le unità di controllo non sono dotate di tutte le caratteristiche necessarie per implementare sistemi di controllo complessi. L’uso di sensori di forza e di coppia tende ad essere evitato nell’industria per molti motivi, quali il costo e lo spazio che essi occupano. Scopo di questa tesi è indagare su soluzioni per la collaborazione tra robot e robot e lo sviluppo di strategie cooperative che coinvolgano l’uomo ed il robot. Tale cooperazione deve essere attuabile sui regolatori industriali esistenti. Particolare attenzione è stata dedicata ad algoritmi di generazione della traiettoria vincolati, basati sull’obiettivo di tradurre specifiche operazionali definite ad un alto livello tramite l’esecuzione di vari compiti, in segnali di riferimento per il robot. Uno di questi algoritmi verrà esteso al fine di includere attività che richiedono l’uso di particolari strategie di controllo di forza. Tali strategie hanno l’obiettivo di eseguire particolari operazioni. In questa tesi è stata formalizzata l’operazione di avvitamento di una provetta farmaceutica tramite l’utilizzo di un robot a doppio braccio cinematicamente ridondante. E’ stato anche implementato e verificato un algoritmo di generazione della traiettoria basato su ottimizzazione vincolata. L’algoritmo di controllo verrà inoltre esteso in modo tale da includere tecniche sensorless di misure di forza ed anche un filtro di impedenza usato per correggere errori di posizionamento e di orientamento. L’obiettivo finale di questo lavoro è mostrare che è possibile eseguire qualsiasi operazione con un robot a doppio braccio in modo semplice ed efficace.