A goal driven approach for physical human-robot interaction with complex environment

Nowadays, the industrial automation is a very fast growing market. The presence of autonomous robots allows to reach high production volumes with high quality. However, these advantages are usually available just for big companies due to the huge costs and the dedicated spaces where the presence of humans is forbidden. The diffusion of "Collaborative Robots" represents a novel and very interesting trend thanks to their flexibility with respect to traditional robots. When robots or CNC machines are required for precise finishing processes (as deburring, sanding or polishing) a specific coding phase is required. In case of customized products or small batch productions, it is desirable to avoid the time-consuming phase of robot programming. To this end, a novel approach in the field of physical human robot environment interaction (pHREI) is developed in this thesis. In particular, the developed control strategy allows any operator to manually guide the tool along the machining surface of an arbitrary complex part. Since the quality of the outcome strictly depends on the orthogonal orientation of the tool with respect to the surface (environment) and the force exerted on it, these tasks are automatically controlled by the robot. The CAD model of the environment is assumed to be known to avoid the use of external cameras. Moreover, a goal-driven variable admittance control strategy is implemented in order to suggest the human through haptic feedback the best motion direction toward the goal position. This is particularly useful in case the operator has only partial visibility (e.g. due to the dimension of the tool). The performance of the proposed control strategy is evaluated on a stiff complex-shaped environment with the use of different tools and the ABB IRB140 manipulator.

Al giorno d'oggi ci troviamo di fronte ad uno scenario in cui l'automazione è in fortissima crescita specialmente in grandi realtà dove l'introduzione di robot autonomi permette di compiere lavorazioni in maniera continuativa e con un'elevata precisione. Questi robot però oltre ad essere molto costosi richiedono uno spazio di lavoro dedicato al quale un operatore umano non può accedere. La nascita della robotica collaborativa, grazie alla sua flessibilità rispetto a quella tradizionale, ha certamente dato una nuova spinta e nuove opportunità anche a piccole e medie imprese. Nelle aziende, soprattutto nei reparti di finitura, vi è la necessità di utilizzare macchine a controllo numerico o robot industriali per finire con precisione un pezzo di forma arbitrariamente complessa (operazioni di questo tipo possono essere la levigatura e la lucidatura). Tuttavia per svolgere l'operazione su diversi pezzi occorre una specifica programmazione. Per far sì che la lavorazione possa essere eseguita da un qualunque operatore, in questa tesi si è sviluppata una strategia di controllo in grado di coordinare l'interazione tra uomo, robot e ambiente in una situazione di contatto con una superficie esterna rigida di forma complessa. Il lavoro svolto va quindi ad inserirsi nella robotica collaborativa, in quello che in letteratura è conosciuto come "interazione uomo-robot-ambiente" (pHREI), un settore, ad oggi, ancora poco esplorato. Il sistema proposto è estremamente versatile e robusto e tramite la conoscenza approssimativa della superficie da lavorare (ambiente) e l'utilizzo di un singolo sensore di forza, monitora l'interazione con l'operatore e l'ambiente. Il controllo automatico dell'orientamento del robot garantisce che la lavorazione venga svolta perpendicolarmente alla superficie da lavorare mentre il controllore di forza gestisce la forza esercitata sul pezzo lasciando all'operatore il solo compito di guidare il robot lungo la superficie. A supporto dell'operatore viene inoltre implementata una strategia di controllo ad ammettenza variabile che permette di percepire la migliore direzione verso un dato punto obiettivo. Infine, le prestazioni della strategia proposta vengono mostrate tramite campagna sperimentale sul manipolatore ABB IRB140.