Instrumented wrist apparatus tailored to Kawasaki platforms enabling human-robot collaborative interaction

Collaborative robots represent a recent innovation for industrial field compared to factory cells, where the traditional robots are separated from humans. Proximity between operator and robot provides the increase of system abilities, combining the individual skills of people with the repetitive performance of machines. A collaborative system requires new measures of protection that contrast the risks related to human robot interaction. The reference norm ISO 10218 and the adoption of a biomechanical model provide thresholds on velocity, force and pressure for the collaborative robots. Measuring these physical quantities involves some sensors installation. Then we assist to the research of plug-in solutions, suitable for the instrumentation of traditional robots thought wrist devices, to avoid a fast industrial turnover toward the robots developed as collaborative and characterized by higher costs. Considering the devices from research and market levels of state of the art, this work aims to realize and test an innovative prototypal device, named Apparatus, besides the overall experimental set-up. The expectations concern the implementation of cognitive capabilities and real-time strategies of reaction to specific off-nominal events through measurements of interaction with the environment, particularly ultrasound distance sensors, piezoresistive force sensors, load cells. The work has also integrated the industrial robot MC004 Kawasaki, the relative E71 controller with real-time functionality, and the electromechanical gripper EGP 40-N-N-B Schunk. After having outlined the context and described the technological development, this thesis script reports the results of experimental tests about collaborative skills acquired by the system.

I robot collaborativi rappresentano una recente innovazione industriale rispetto alle isole di lavoro, dove i robot tradizionali sono separati dall’uomo. La prossimità tra operatore e robot permette di incrementare le abilità del sistema, unendo le capacità individuali delle persone alle performance di ripetibilità delle macchine. Un sistema collaborativo richiede nuove misure di protezione che contrastino i pericoli dell’interazione tra uomo e robot. La normativa di riferimento ISO 10218 e l’adozione di un modello biomeccanico forniscono soglie di velocità, forza e pressione per i robot collaborativi. Misurare queste quantità fisiche comporta l’installazione di sensori. A riguardo si assiste alla ricerca di soluzioni plug-in, adatte a sensorizzare i robot tradizionali attraverso dispositivi di tipo wrist, al fine di evitare un rapido turnover industriale verso i robot che nascono come collaborativi e che sono caratterizzati da costi maggiori. Considerando i dispositivi in fase di ricerca e quelli disponibili sul mercato, questo lavoro si pone l’obbiettivo di realizzare e testare un prototipo di dispositivo innovativo, chiamato Apparatus, insieme al complessivo set-up sperimentale. Le aspettative riguardano l’implementazione di capacità cognitive e strategie di reazione real-time rispetto a specifici eventi off-nominal, attraverso misure di interazione con l’ambiente, in particolare sensori di distanza ultrasonici, sensori di forza piezoresistivi, celle di carico. Il lavoro ha integrato inoltre il robot industriale Kawasaki MC004, il relativo controllore E71 con funzione real-time e la pinza elettromeccanica Schunk EGP 40-N-N-B. Dopo aver delineato il contesto e descritto lo sviluppo tecnologico, questo elaborato riporta i risultati dei test sperimentali circa le abilità collaborative acquisite dal sistema.