A general procedure for robotized peg-in-hole operations with large position uncertainty

Collaborative robotics is one of the most important technologies in Industry 4.0 because cobots offer the possibility to safely work with human operators. As a result, productive operations like assemblies increase in flexibility and efficiency. One of the most common assembly operations is the peg-in-hole. It is analysed in detail in this thesis, starting from the state of the art, the relevance in robotics and ending with an overview of the whole peg-in-hole procedure, such as contact model-based and contact model-free. Furthermore, the state of the art of the force control with a deeper analysis of the used control loop, hybrid force/position control and parallel force/position control, is presented. The goal of this thesis is to develop a solution for the peg-in-hole general enough to be reused, modifying only some details. To this aim, some preliminary decisions have been taken, such as: the specific operations to be performed, the gripper to be used and the development of the fingers. Peg-in-hole is a difficult task to automatize: the first problem to be solved is the position uncertainty, considering that the position error due to the system layout is ±1cm. Another problem is the resolution of the force/torque sensor, that might not be precise enough to guarantee a good solution. Two different procedures have been implemented to complete the operations: a general time consuming strategy that uses a search path to find the hole and an alternative approach that needs more information than the previous one, requiring however less time to complete the insertion. The proposed methods have been validated with experiments on a Universal Robots UR5e.

La robotica collaborativa è una delle tecnologie più importanti nell’Industria 4.0 in quanto i cobot offrono la possibilità di lavorare in sicurezza con gli operatori umani. Di conseguenza, le operazioni come quelle di assemblaggio hanno aumentato la flessibilità e l’efficienza. Una delle operazioni di assemblaggio più comuni è l’inserimento di un perno in un foro (peg-in-hole). In questa tesi viene analizzato nel dettaglio partendo dallo stato dell’arte, dalla rilevanza nella robotica e terminando con una panoramica su tutte le procedure di peg-in-hole, come ad esempio il modello a contatto e il modello senza contatto. Inoltre, viene presentato lo stato dell’arte del controllo della forza con un’analisi più approfondita sui tipi di controllo utilizzati, controllo ibrido forza/posizione e del controllo parallelo forza/posizione. Scopo di questa tesi è sviluppare una soluzione per l’operazione di peg-in-hole che possa essere generalizzata e riutilizzata, modificando solo alcuni dettagli. A questo scopo, sono state prese alcune decisioni preliminari, tra le quali: le operazioni specifiche da eseguire, la pinza da utilizzare e lo sviluppo delle dita. Il peg-in-hole è un’operazione difficile da automatizzare: il primo problema da risolvere è l’incertezza di posizione, considerando un errore di posizione dovuto al layout del sistema di ±1cm. Un altro problema è la risoluzione del sensore di forza/coppia, che potrebbe non essere abbastanza preciso per garantire una buona soluzione. Per l’applicazione pratica del metodo sono state implementate due diverse procedure: la prima si basa su una strategia generale che usa un percorso di ricerca per trovare la posizione del foro, la quale richiede però molto tempo, e un approccio alternativo che necessita di più informazioni rispetto al precedente, ma impiega meno tempo per completare l’operazione. I metodi proposti sono stati validati tramite esperimenti eseguiti con un Universal Robots UR5e.