Progetto di un sensore di distanza distribuito per il controllo dell'interazione uomo robot in ambito industriale

This thesis deals with the design of a distributed laser Time-Of-Flight distance sensor for human-robot interaction control. The sensor is made of a multitude of light spots distributed along the robotic arm. A simulator is implemented with Dymola, in order to study the problems related to the use of these time-of-flight sensors. The simulator reproduces the optical system and allows to study its effect on a simple robotic structure. A methodology is proposed to size the distributed laser sensor and to determine the geometric arrangement of the spots. This methodology allows to satisfy project requirements in terms of detection capability of an object of a certain size with a predefined sensing resolution. Furthermore this work suggests strategies intended to manage the single laser spot reading. A partial compensation of the phenomena related to the measurement during motion, such as motion blur, is obtained as well as an optimization of the dynamic performance of the measurement system. The distributed sensor is then used within a controller of the mechanical impedance with generation of vitual forces when an obstacle is detected. Three strategies for the computation of the repulsive action are proposed, which are then compared through simulation. Each of these three strategies is characterized by a different way in which sensors are managed. A thorough study of the stability properties complete the analysis of the control systems. Finally experiments have been performed with a commercial laser sensor mounted on top of an industrial robot, in a configuration which emulates the behaviour of the distributed sensor. These experiments show the presence of the motion blur phenomenon and confirm the soundness of the algorithm conceived to compute the virtual wall action.

Il presente lavoro di tesi affronta il progetto di un sensore di distanza distribuito laser Time-Of-Flight per il controllo dell’interazione uomo-robot in ambito di robotica industriale. Il sensore è costituito da una pluralità di spot luminosi disposti lungo il braccio robotico. Per studiare i fenomeni legati alla misura con sensori laser viene realizzato un simulatore in ambiente Dymola che riproduce il sistema ottico e ne consente lo studio dell'applicazione a una semplice struttura robotica. Si propone una metodologia per il dimensionamento del sensore distribuito e per la disposizione geometrica degli spot laser che lo compongono. La metodologia permette di soddisfare requisiti statici di visione intesi come identificazione di oggetti di dimensioni imposte con sufficiente dettaglio. Vengono inoltre proposte strategie per la gestione della lettura dei singoli spot laser. Si ottiene così una parziale compensazione dei fenomeni legati alla misura in condizioni di moto, come il motion blur, e un'ottimizzazione delle prestazioni dinamiche del sistema di misura. Il sensore distribuito viene quindi utilizzato in un sistema di controllo dell'impedenza meccanica con generazione di forze virtuali in presenza di un ostacolo rilevato. Sono sviluppate tre logiche per il calcolo dell’azione repulsiva che sono confrontate mediante simulazione. Ciascuna delle tre logiche è caratterizzata da una diversa modalità di gestione dei sensori. Uno studio approfondito delle caratteristiche di stabilità completa l'analisi dei sistemi di controllo. Si realizzano infine prove sperimentali con un sensore laser commerciale montato su un robot industriale, in configurazioni che emulano il comportamento del sensore distribuito. Tali prove mettono in luce la presenza del fenomeno del motion blur e confermano la validità dell’algoritmo realizzato per il calcolo dell’azione del muro virtuale.