Apparato wireless per la misura di forze e momenti a sei gradi di libertà per applicazioni di robotica collaborativa

In the last few years global industry has been revolutionised, coming up with what is known as “Industry 4.0”. Among the cornerstones of this revolution there is cooperation between all the elements present in the production process, namely operators, machines and IT systems. Therefore it is necessary to study solutions for the problem of safety at work, introduced precisely by the direct interaction between men and machines. The “International Organization for Standardization” has recently released some documents of specifications to ensure operators' safety. They illustrate the risk assessment and reduction process to be performed before putting the robotic system into operation and the protective measures that must follow. Among these, reference is made to the use of force sensors positioned on the mechanical interface of the manipulators to detect any contact between the parts, either desired or unwanted. In fact, during collaborative applications a certain level of physical contact may be required, which is why collision prevention can be too restrictive. For this reason, the aim of the thesis was to create a load sensor with six degrees of freedom capable to measure resulting forces up to 20N and resulting moments up to 1000Nmm approximately in order to detect the prelude of any collision between robotic systems and operators in all circumstances, so as to be able to carry out the appropriate safety strategies. In particular, the device had to be as accurate as possible but also less fragile and expensive than those on the market, since these have a considerable impact on the overall price of robotic systems. The structure of the sensor has been studied to favour sensorization through the use of handcrafted capacitive transducers, technology identified as the most suitable for robotic applications. Then these are used to measure deformations caused by the application of loads in the directions perpendicular to the respective at plates, positioned in parallel. In addition, the device has been made able to safely withstand applied loads and the dimensions have been kept as small as possible, as well as the weight. Finally, it had to be easy to be mounted on different robotic arms and to simulate their mechanical interface in order not to limit their use in any way. The materials for its construction have been chosen on the basis of the conformity of their mechanical properties to the construction needs. Specifically, a research has been carried out to identify the most suitable material for the requirements of the load-sensitive element, which had to be at the same time resistant and as flexible as possible, in order to maximise the sensitivity of the sensor. For the same reason it has been the subject of an optimisation process, so as to trace the best combination of the parameters of the model. The application of some maximum load systems on the different structures obtained varying, as far as possible, the aforementioned parameters has been simulated. Those have been established considering the structural limits of the instruments available for calibration. Finally, the configuration associated with the major deformations thus obtained has been selected among the eligible ones. Then the structure has been 3D printed and shielded to reduce the influence of electromagnetic noise on the measurements of the transducers. Although it has been designed to limit the price even in the event that it is produced with different methods, the additive production technology precisely has allowed to keep low the cost of the device in this phase. The integration of the electronic circuit and the power supply inside it has allowed to eliminate that cable typically connected to the load sensors which contributes to increase their fragility. The printed electronic circuit, based on a microcontroller, mainly deals with sampling the capacity values of the transducers and filtering them appropriately to further reduce the noise picked up by the same. Then these are sent via Bluetooth protocol to the graphical interface created, which further processes them to provide the user with the values of the loads applied to the sensor in real time, also sending a signal to the robot to which the device is connected if the maximum allowed limits, which can be set according to the type of collaborative activity performed, are exceeded. The interface also allows to customise the graphs and save the values shown in a suitably formatted file. The conversion is done through the multiplication of the inputs obtained from the capacity values received by the interface with the calibration matrix, computed by the least squares method starting from the data acquired applying some weights to the device. This has been oriented in different ways using the robot to which it has been connected, in order to generate different loading systems variable in the most exhaustive way possible within the six-dimensional space to be sampled. In the procedure, some measures have been adopted to solve the problem due to the coupling of the signals, that is the variation of a graph or of the sensitivity of the structure associated with the application of a load different from that to which the sensor is actually subjected, caused by the non-linearity of the mechanical behaviour of the device. As said before, the developed sensor seems less fragile than others, not much for the structure, which appears quite resistant anyway, but for the removal of the typical cable connecting the sensor itself with the power supply and signal acquisition stage, integrated within the created device. It also appears to be significantly cheaper than commercial devices, in particular thanks to the use of additive manufacturing technology for its production. Regarding its performance, the sensor shows an average accuracy computed as percentage of the full scale of around 93% in estimating the different types of loads, apart from the moment around the axis exiting the device. In fact it is capable of measuring up to 22N of resulting force and 500Nmm of torque around each axis with average errors of approximately 3.17N and 120Nmm in each direction. Ultimately, the one produced turns out to be an appreciable load sensor with five degrees of freedom rather than six, capable to report the exceeding of the maximum permissible loads so as to be able to carry out the appropriate strategies to guarantee operators' safety during collaborative robotic applications. Although its performance is not comparable with that of commercial sensors, its strengths lie in the high value for money and in the innovation introduced making the device completely wireless. Moreover, thanks to this the apparatus has been made less subject to possible failures, which therefore further worsen the aforementioned ratio against commercial devices.

Negli ultimi anni l'industria mondiale si sta rivoluzionando, dando vita a quella che viene definita "Industria 4.0". Tra i capisaldi di questa rivoluzione vi é la collaborazione tra tutti gli elementi presenti nel processo produttivo, ovvero gli operatori, le macchine e i sistemi informatici. É necessario pertanto studiare delle soluzioni per il problema della sicurezza sul lavoro, introdotto proprio dall'interazione diretta tra uomini e macchine. L'"International Organization for Standardization" ha rilasciato recentemente alcuni documenti di specifiche per garantire al meglio la sicurezza degli operatori. In essi vengono illustrati il processo di valutazione e riduzione dei rischi, da eseguire prima di mettere in funzione il sistema robotico, e le misure di protezione che ne devono conseguire. Tra queste si fa riferimento, tra le altre cose, all'utilizzo di sensori di forza posizionati sull'interfaccia meccanica dei manipolatori per la rilevazione di eventuali contatti, desiderati o indesiderati, tra le parti. Durante applicazioni collaborative, infatti, può essere richiesto un certo livello di contatto fisico, ragione per cui la prevenzione delle collisioni può risultare troppo restrittiva. Lo scopo della tesi é stato dunque quello di realizzare un sensore di carico a sei gradi di libertà capace di misurare forze risultanti fino a 20N e momenti risultanti fino a 1000Nmm circa per poter rilevare il preludio di eventuali collisioni tra sistemi robotici e operatori in ogni circostanza, così da poter mettere in atto le adeguate strategie di sicurezza. In particolare il dispositivo doveva risultare, oltre che il più accurato possibile, meno fragile e costoso di quelli presenti sul mercato, dal momento che questi incidono in maniera considerevole sul prezzo complessivo del sistema robotico. La struttura del sensore é stata studiata per favorirne la sensorizzazione tramite l'utilizzo di trasduttori artigianali di tipo capacitivo, tecnologia individuata come la più adatta per applicazioni robotiche. Questi sono quindi utilizzati per misurare le deformazioni causate dall'applicazione dei carichi nelle direzioni perpendicolari alle rispettive armature piane, posizionate parallelamente. Inoltre, il dispositivo é stato reso in grado di resistere ai carichi applicatigli in maniera sicura e le dimensioni sono state contenute il più possibile, così come il peso. Esso doveva infine risultare agevole da montare su diversi bracci robotici e simularne l'interfaccia meccanica per non limitarne l'utilizzo in alcun modo. I materiali per la sua realizzazione sono stati scelti sulla base della conformità delle loro proprietà meccaniche alle necessità costruttive. Nello specifico, é stata condotta una ricerca per individuare il materiale più adatto ai requisiti dell'elemento sensibile ai carichi, il quale doveva essere allo stesso tempo sufficientemente resistente e il più flessibile possibile, in modo tale da massimizzare la sensibilità del sensore. Per la stessa ragione esso é stato sottoposto a un processo di ottimizzazione, in modo tale da risalire alla combinazione migliore dei parametri del modello. É stata quindi simulata l'applicazione di alcuni sistemi di carico massimali, stabiliti alla luce dei limiti strutturali degli strumenti a disposizione per la calibrazione, sulle diverse strutture ottenute facendo variare i suddetti parametri, per quanto possibile. É stata infine selezionata, tra quelle ammissibili, la configurazione associata alle deformazioni maggiori così ottenute. La struttura é stata quindi realizzata con una stampante 3D e schermata per ridurre l'influenza delle sorgenti di rumore elettromagnetico sulle misure dei trasduttori. Sebbene essa sia stata studiata per limitarne il prezzo anche nell'eventualità che questa venga prodotta con metodi differenti, proprio la tecnologia di produzione additiva ha consentito di contenere il costo del dispositivo in questa fase. L'inserimento nello stesso del circuito elettronico stampato e dello stadio di alimentazione ha permesso invece di eliminare quel cavo tipicamente connesso ai sensori di carico che contribuisce ad aumentarne la fragilità. Il circuito integrato basato su microcontrollore si occupa principalmente di campionare i valori di capacità dei trasduttori e di filtrarli opportunamente per ridurre ulteriormente il rumore captato dagli stessi. Questi sono quindi inviati attraverso protocollo Bluetooth all'interfaccia grafica realizzata, la quale li elabora ulteriormente per fornire in tempo reale all'utente i valori dei carichi applicati al sensore, inviando inoltre una segnalazione al robot al quale il dispositivo é connesso qualora vengano oltrepassati i limiti massimi consentiti, impostabili a seconda della tipologia di attività collaborativa. L'interfaccia consente inoltre di personalizzare i grafici e di salvare i valori mostrati in un file opportunamente formattato. La conversione é resa possibile dalla moltiplicazione degli input ricavati dai valori di capacità ricevuti dall'interfaccia per la matrice di calibrazione, ottenuta mediante il metodo dei minimi quadrati a partire dai dati acquisiti applicando vari pesi al dispositivo. Questo é stato orientato in diversi modi utilizzando il robot al quale é stato connesso, in modo tale da generare dei sistemi di carico variabili nella maniera più esaustiva possibile all'interno dello spazio a sei dimensioni da campionare. Nella procedura sono stati adottati anche altri accorgimenti per risolvere il problema legato all'accoppiamento dei segnali, ovvero la variazione di un tracciato o della sensibilità della struttura associate all'applicazione di un carico differente da quello al quale il sensore é effettivamente sottoposto, causato dalla non-linearità del comportamento meccanico del dispositivo. Come detto, il sensore realizzato risulta essere meno fragile rispetto ad altri, non tanto per la struttura, che comunque appare piuttosto resistente, quanto per la rimozione del tipico cavo di connessione con lo stadio di alimentazione e acquisizione del segnale, integrati all'interno del dispositivo realizzato. Esso, inoltre, risulta essere notevolmente più economico rispetto ai dispositivi commerciali, in particolare grazie all'utilizzo della tecnologia additiva per la produzione. Per quanto riguarda le sue prestazioni, il sensore mostra un'accuratezza media calcolata come percentuale del fondo scala intorno al 93% nella stima dei diversi tipi di carichi, a parte il momento intorno all'asse uscente dal dispositivo. Esso é infatti in grado di misurare fino a 22N di forza risultante e 500Nmm di coppia attorno a ogni asse con errori medi di circa 3.17N e 120Nmm in ogni direzione. In definitiva, quello realizzato risulta essere un apprezzabile sensore di carico a cinque gradi di libertà piuttosto che a sei, in grado di segnalare il superamento dei carichi massimi ammissibili così da poter mettere in atto le adeguate strategie per garantire la sicurezza degli operatori durante applicazioni di robotica collaborativa. Sebbene le sue prestazioni non siano confrontabili con quelle dei sensori commerciali, i suoi punti di forza risiedono nell'elevato rapporto qualità/prezzo e nell'innovazione introdotta rendendo il dispositivo completamente wireless. Grazie a questo, inoltre, l'apparato é stato reso meno soggetto a eventuali guasti, i quali aggravano quindi ulteriormente il suddetto rapporto a sfavore dei dispositivi commerciali.