Simulation of the movement of a robotic arm in a VR environment

The present thesis is mainly related to the implementation of a cobot in a Virtual Reality environment. From the two key words, cobot and Virtual Reality, it is immediately clear the direct link to Industry 4.0, being both of them two underlying technologies that are lately acquiring a prominent role, despite their birth date back many years ago. In particular, cobots -abbreviation for collaborative robots- are being installed in more and more industries thanks to their peculiarity of co-working with human operators. Indeed, the last years witness two apparently incompatible requests: mass production and at the same time customized production. The first request can be satisfied through the efficiency of traditional industrial robots, the second one only through flexibility, typical of human intelligence. Therefore, human-robot (HR) collaboration became the solution, and this is why industries are moving towards hybrid HR manufacturing cells. The request for flexibility implies the frequent re-design of the manufacturing cell and, as a consequence, it is indispensable having the necessary tools for performing powerful and rapid simulations: in this context, Virtual Reality can represent the key because differently from traditional digital simulations on simple screens, VR simulations allow being completely immersed in a future manufacturing cell, seeing the effect of changes in a more immediate and realistic way and also testing new tools. Moreover, the cobot itself is a new tool requiring training for human workers: on this aspect, too, Virtual Reality can offer advantages since a first virtual learning approach can be carried out in a realistic manner, well in advance of the implementation of new production lines and can reassure operators about possible fears regarding their collaboration with cobots. Objective of the present work is to build a VR simulation of a hybrid manufacturing cell, oriented to provide a workflow and the available tools for implementing a cobot in a VR environment. The workflow was organized in the following phases: it starts from the CAD modelling, passes through ROS for the realistic movement of the cobot based on kinematic calculations thanks to MoveIt, and ends up on Unity for a realistic visualization of the scene thanks to Virtual Reality. In the final result the user, in first person, performs operation in front of a virtual cobot executing its own tasks as well. The project has been developed with reference to a specific use case but the outcome, adaptable to other case studies, opens itself to a variety of applications such as serious game for training of human operators, simulations for timing operations, testing new manufacturing-cells layout.

Il presente lavoro di tesi riguarda l'implementazione di un cobot in un ambiente di realtà virtuale. Dalle due parole chiave, cobot e realtà virtuale, è subito chiaro il legame diretto con l'Industria 4.0. In particolare, i cobot -abbreviazione di collaborative robots (robot collaborativi) - vengono installati in sempre più industrie grazie alla loro peculiarità di collaborare con gli operatori umani. Infatti, negli ultimi anni si assiste a due richieste apparentemente inconciliabili: la produzione di massa e la produzione personalizzata. La prima richiesta può essere soddisfatta attraverso l'efficienza dei robot industriali tradizionali, la seconda solo attraverso la flessibilità, tipica dell'intelligenza umana. Pertanto, la collaborazione uomo-robot rappresenta una valida soluzione. La richiesta di flessibilità implica il frequente re-design della cella di produzione e, di conseguenza, è indispensabile avere gli strumenti necessari per eseguire simulazioni potenti e rapide: in questo contesto, la realtà virtuale può rappresentare la chiave perché, a differenza delle tradizionali simulazioni digitali su semplici schermi, le simulazioni in VR consentono di essere completamente immersi in una futura cella di produzione, vedendo l'effetto dei cambiamenti in modo più immediato e realistico. Inoltre, il cobot stesso è un nuovo strumento che richiede una formazione per i lavoratori umani: anche su questo aspetto la VR può offrire dei vantaggi in quanto un primo approccio di apprendimento virtuale può essere effettuato in modo realistico, con largo anticipo rispetto all'implementazione di nuove linee di produzione e può rassicurare gli operatori su eventuali timori relativi alla loro collaborazione con i cobot. Obiettivo del presente lavoro è quello di costruire una simulazione in realtà virtuale di una cella di produzione ibrida, orientata a fornire un flusso di lavoro per implementare un cobot in un ambiente di realtà virtuale. Il flusso di lavoro è stato organizzato nelle seguenti fasi: si parte dalla modellazione CAD, per poi passare attraverso ROS per il movimento realistico del cobot basato su calcoli cinematici, e si completa su Unity per una visualizzazione realistica della scena grazie alla Realtà Virtuale. Nel risultato finale l'utente compie operazioni di fronte a un cobot virtuale che esegue a sua volta i propri compiti. Il progetto è stato sviluppato con riferimento ad un caso d'uso specifico ma il risultato si apre ad una varietà di applicazioni come serious game per l'addestramento di operatori umani, simulazioni per operazioni di cronometraggio, test di nuovi layout di celle di produzione.