A safety strategy for collaborative industrial manipulators

Thanks to the innovations in the field of robotics, physical separation between humans and robotic manipulators is no longer required. However, ensuring safety in a human-robot collaborative scenario is still a complex task. In particular, achieving it without violating production constraints is a difficult goal that deserves careful considerations. In this thesis, we experimented, through an industrial robot, a novel approach that addresses the problem of designing a kinematic control that maximizes productivity while maintaining safety requirements consistent with the strategy of Speed and Separation Monitoring. The proposed approach is a geometric method that makes use of the explicit representation of the danger zone to detect whether the safety constraint is respected or not. By means of any surface reconstruction method, the boundary of the danger zone can be explicitly represented and then used to verify, through a collision check between it and the obstacle, whether the safety criterion is fulfilled. If a collision is detected, a scaling factor is used to reduce the velocity of the robot. Such a scaling factor is calculated so that the resulting velocity is the maximum one that the robot manipulator can reach while still respecting the safety constraint.

Grazie alle innovazioni nel campo della robotica, la separazione fisica tra le persone e i manipolatori robotici non è più richiesta. Tuttavia, garantire la sicurezza in uno scenario collaborativo uomo-robot è ancora un'operazione complessa. In particolare, raggiungere tale condizione senza violare i vincoli di produzione è un obiettivo difficile che richiede attente considerazioni. In questa tesi, abbiamo testato, attraverso l'utilizzo di un robot industriale, un approccio innovativo che affronta il problema di progettare un controllo cinematico che massimizza la produttività mantenendo i requisiti di sicurezza che sono compatibili con la strategia del monitoraggio della velocità e della distanza (Speed and Separation Monitoring). L'approccio proposto è un metodo geometrico che si avvale della rappresentazione esplicita della zona di pericolo (danger zone) per rilevare se il vincolo di sicurezza è rispettato o meno. Mediante un qualsiasi metodo di ricostruzione della superficie, il contorno della zona di pericolo può essere esplicitamente rappresentato e quindi utilizzato per verificare, attraverso un controllo di collisione tra esso e l'ostacolo, se il criterio di sicurezza è soddisfatto. Se una collisione è rilevata, un fattore di scala è usato per diminuire la velocità del robot. Tale fattore di scala è determinato in modo tale che la velocità risultante sia la massima che il manipolatore robotico può raggiungere rispettando comunque il vincolo di sicurezza.