Teleoperated peg in hole pipette assembly with a dual arm kinematically redundant robot

Robots in a few years will become pervasive in all industrial sectors. Automatizing a process has become a foundamental key for competing in every kind of market. It permits not only bigger production volumes, but also a better quality and time efficiency. One of the most studied application for robotic systems is manipulation: trying to assemble objects through a robot has been the subject of many researches and control algorithms. In this thesis, a common bimanual assembly task, the assembly of a pharmaceutical pipette, is proposed, accompanied by the use of a teleoperation. Teleoperation means controlling a robot from remote, using other devices. Its use in modern robotics has grown in the last years: it permits to control a robotic unit in a safer, in a more comfortable or in a more equipped environment (with the possibility to have a complete overview of the action of the robot, other tools and computing systems that cannot be carried by the unit). Teleoperation shows its utility especially when the automatization of the task has different levels of complexity: it's more convenient to guide a mobile robot from a teleoperation joystick, rather than elaborating a complete autonomus control algorithm, involving path planning, obstacles avoidance etc. The aim of this thesis is to highlight this aspect: a task already performed in fully automatic way, like the peg in hole one, is executed half autonomously, half teleoperated, using a bimanual robot. Solutions for the cooperation of robotic arms and humans are investigated. 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. 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 using teleoperation, lightening the complexity due to automatization.

Tra qualche anno i robot diventeranno pervasivi in ogni settore industriale. L'automatizzazione di un processo e' diventata una chiave fondamentale per competere in ogni tipo di mercato. Essa permette non solo maggiori volumi di produzione, ma anche migliore qualita' ed efficienza in termini di tempo. Una delle applicazioni piu' studiate per sistemi robotici e' la manipolazione: provare ad assemblare oggetti con dei robot e' stato oggetto di molte ricerche e algoritmi di controllo.\\ In questa tesi, una comune operazione di assemblaggio bimanuale, l'assemblaggio di una siringa farmaceutica, viene studiato, accompagnata dall'uso della teleoperazione. La teleoperazione consiste nel controllare da remoto un robot, usando altri dispositivi. Il suo utilizzo è cresciuto molto nella robotica moderna: permette di controllare una unita' robotica in un ambiente piu' sicuro, piu' comodo e piu' attrezzato (con la possibilita' di avere una visione piu' grande di quello che sta facendo il robot, o di avere altri strumenti e sistemi di calcolo che non possono essere trasportati dall'unita'). La teleoperazione mostra la sua utilita' specialmente quando la resa automatica del sistema sotto controllo presenta diversi livelli di complessita': e' piu' conveniente guidare un robot mobile da un joystick, piuttosto che elaborare un algoritmo completamente autonomo (basti pensare alla pianificazione del percorso, algoritmi per evitare gli ostacoli, ecc). Lo scopo della tesi e' di sottolineare questo aspetto: un'operazione, gia' largamente studiata per essere eseguita autonomamente, come quella del peg in hole, viene eseguita in parte automaticamente, in parte usando la teleoperazione, su un robot a due braccia. Particolare attenzione e' stata posta su algoritmi di generazione della traiettoria basata su vincoli, con l'intento di tradurre delle specifiche sull'operazione in riferimenti da seguire per il robot. E' stato implementato e testato un algoritmo di ottimizzazione limitata da alcuni vincoli per l'esecuzione dell'operazione. Lo schema di controllo include anche misure di forza senza sensori e un filtro di impedenza, usato per correggere errori di posizione e orientamento. Lo scopo finale di questo elaborato e' quello di mostrare come sia possibile ottenere l'esecuzione di una qualsiasi operazione bimanuale in modo semplice, con l'uso della teleoperazione, alleggerendo il carico di complessita' dovuto all'automatizzazione.