Automatic motion planning of redundant double-armed collaborative robots for bin picking appplications

The aim of this thesis is the development of a software for collaborative redundant multiarmed robot’s automatic trajectory planning. Automatic trajectory planning is one of the most interesting research branches in the robotic field. In the last years various research groups have published tons of papers describing alternative methods to face the problem of modelling complex robot kinematics and environments, managing properly their interactions and the necessity of finding in a fast and computationally-efficient way a safe, free-of-collisions trajectory for the robot. Some of the most relevant examples of path planning algorithms and techniques developed in the last decades are the RRT family of planners and the SBL one. In most of the industrial implementations, vision systems are the best way to provide to these algorithms informations about the environment and the targets that the robot have to reach. Of course, automatic motion planning techniques have some typical implementation problems. For these reasons, their usage in the contemporary industrial sector is limited to few practical applications. One of the most important is of course the bin picking one. Industrial robots guided by vision-based devices are already extensively used to pick randomly-oriented objects from a bin, but the typical final aim of this technology has always been the feeding of an other machine, belt or palettizer. The main novelty of this thesis is in the development of trajectory planning methodologies for of a relatively new type of industrial manipulator: the collaborative, redundant, doublearmed ABB Yumi robot, specially designed to mimic human capabilities. Yumi has the potentialities to extend the basic bin picking operation, already performed by standard industrial robots, to new industrial contexts such as the assembling or the human cooperation ones. This robot is already used for picking operations, but it’s always needed to organize its working area and programming its movements a priori. Combining vision systems and automatic motion planning features with Yumi capabilities, it’s possible to fully automize small objects assembly operations without designing rigid and expensive feeding systems, but with the flexibility and simplicity of a bin picking procedure. The developed software solves some intrinsic problems related to the use of the Yumi robot in this type of applications. First of all, the necessity of managing its complex, redundant kinematic structure. Secondary and most important, the problem that standard automatic planning algorithms are not studied to interact with this type of robot. The coordination of its two arms, in fact, is of fundamental importance in order to guarantee a high productivity of the future applications, but automatic planners are typically not capable to manage more than one moving entity. The thesis presents different approaches, developed in the last years, for the resolution of this kind of problem and proposes a method capable of bypassing it. 4 The software is based on one of the most efficient, well-organized and reliable open-source libraries for robot programming free available on the web: Klamp’t. Its capabilities of managing redundant, multi-armed kinematic structures have been explored and a smart procedure for double-armed coordinated bin picking applications, based on its functionalities, has been developed. The thesis has been developed in collaboration with the ISS company, in which most of the programming and experimental works were done. ISS is a Politecnico spin-off and one of the main Italian company in the development of robot guidance systems based on vision devices with applications in the bin picking field. The thesis has the following structure: • Chapter 1 is a short introduction to the industrial context and the possible reasons for the developing of this work; • Chapter 2 introduces the current state of art about vision systems and motion planning algorithms and technologies; • Chapter 3 is a brief explanation of the main concepts regarding robot kinematics; • Chapter 4 presents the main motion planning algorithms and describes a procedure useful to choose the most suitable algorithm for the final application; • Chapter 5 describes the development of the software and the tests on the real application; • Chapter 6 describes future improvement for the software

Lo scopo della tesi è lo sviluppo di un software per la pianificazione automatica di traiettoria per robot collaborativi, ridondanti a doppio braccio. La pianificazione automatica di traiettoria è uno dei rami di ricerca di maggior interesse industriale nell’ambito della robotica. Negli ultimi anni vari gruppi di ricerca hanno prodotto grandi quantità di articoli scientifici, che descrivono soluzioni alternative per confrontarsi con il problema di modellare ambienti e complesse architetture robot, gestendo accuratamente la loro interazione e la necessità di trovare velocemente traiettorie prive di collisioni per il robot. Alcuni dei più importanti esempi di algoritmi per la pianificazione automatica di traiettoria sviluppati negli ultimi decenni sono la famiglia degli algoritmi RRT e l’algoritmo SBL. Nella maggior parte delle applicazioni industriali, i sistemi di visione sono il modo migliore di fornire a questi algoritmi le informazioni riguardo l’ambiente e l’obiettivo da raggiungere. Ovviamente le tecniche per la pianificazione automatica di traiettoria hanno alcuni tipici problemi di implementazione. Per queste ragioni, il loro impiego nell’attuale panorama industriale è limitato a poche applicazioni pratiche. Una delle più importanti è di certo quella della presa da cassone. I robot industriali, guidati da sistemi di visione, sono già frequentemente utilizzati per prelevare oggetti disposti casualmente in un cassone, ma tipicamente lo scopo finale di questa tecnologia è sempre stato quello di rifornire altre macchine, nastri trasportatori o pallettizzatori. La principale novità di questa tesi risiede nello sviluppo di metodologie di pianificazione di traiettoria per una tipologia di robot relativamente nuova: il robot collaborativo, ridondante, doppio-braccio ABB Yumi, progettato specificatamente per emulare le capacità cinematiche umane. Yumi ha le potenzialità per estendere l’operazione di presa da cassone standard, già realizzata da robot tradizionali, a nuovi contesti industriali come quelli dell’assemblaggio e della cooperazione uomo-robot. Questo robot è già utilizzato per operazioni di presa, ma è necessario organizzarne metodicamente l’area di lavoro e programmarne in anticipo i movimenti. Combinando le caratteristiche dei sistemi di visione e della pianificazione automatica di traiettoria con le capacità di Yumi, è possibile automatizzare le operazioni di assemblaggio di piccoli oggetti, senza la necessità di progettare rigidi sistemi di movimentazione, ma con la semplicità e flessibilità di un’operazione di presa da cassa. Il software sviluppato risolve alcuni problemi intrinseci collegati all’uso del robot Yumi in questo tipo di applicazioni. Prima di tutto la necessità di gestire la complessa struttura cinematica ridondante. Inoltre, il problema che gli algoritmi di pianificazione automatica di traiettoria standard non sono studiati per gestire più di un’entità in movimento. La tesi presenta differenti approcci, sviluppati negli anni, per la soluzione di questo tipo di problematica e ne propone uno capace di aggirarla efficacemente. 6 Il software si basa su una delle più affidabili, efficienti e meglio organizzate librerie opensource per la programmazione robot disponibili in rete: Klamp’t. È stata studiata la sua capacità di gestire strutture cinematiche ridondanti e multi-braccio ed è stata sviluppata una procedura per applicazioni di prese da cassone a due braccia coordinate, basata sulle sue funzionalità. La tesi è stata svolta in collaborazione con l’azienda ISS, presso la quale sono state svolte molte delle attività di programmazione e sperimentali. ISS è uno spin-off del Politecnico e una delle maggiori aziende italiane nello sviluppo di sistemi di guida robot con applicazioni nel campo della presa da cassone. • Il capitolo 1 è una breve introduzione al contest industrial e alle possibili motivazioni per lo sviluppo di questo lavoro di tesi; • Il capitolo 2 introduce all’attuale stato dell’arte per i sistemi di visione e le tecniche di pianificazione del moto; • Il capitolo 3 è una breve descrizione dei principali concetti riguardanti la cinematica dei robot; • Il capitolo 4 presenta i più importanti algoritmi di pianificazione del moto e descrive una procedura utilizzata per la scelta del codice più adatto all’applicazione finale; • Il capitolo 5 descrive il software sviluppato ed i test sull’applicazione finale; • Il capitolo 6 descrive I possibili futuri miglioramenti al software