Path replanning for robotized cable routing operation

The manipulation of Deformable Linear Objects (DLOs) like wires, tubes and strings, which are non-rigid bodies, is a difficult task to be automatized due to the high number of degrees of freedom involved. This thesis proposes a path replanning for a single-arm robotic manipulator performing a wiring operation of a stiff DLO, which is clamped at both ends, fixing it in certain clips. The fixtures supporting those clips represent obstacles in the environment when performing contour following. Therefore, a methodology that can avoid known obstacles while sliding along the shape of the DLO profile, without introducing excessive deformations, is required. Tactile-based contour following techniques can be integrated with additional information regarding a global shape model of the cable. This estimate is obtained using geometric reasoning but also considering specific physical properties of the cable and gravity. In addition, a potential field-based algorithm is implemented to perform collision avoidance with known obstacles, thus increasing the overall level of safety within the workspace. The potential field comprises repulsive fields generated by fixtures or additional known obstacles, along with an attractive field resulting from the integration of an existing local estimation strategy that employs tactile sensors mounted on the robot’s fingers and the global estimation provided by the model introduced in this thesis. The update procedure for the potential field and the global shape of the cable is executed after each TCP movement, allowing for an obstacle-free path. A reshaping technique for the repulsive potentials is carried out to avoid local minima problems and achieve a smoother contour following. Experiments are performed to validate the proposed method, highlighting good results in different configurations and demonstrating the robustness of the replanner.

La manipolazione di Oggetti Deformabili Lineari (DLO) come cavi, tubi e corde, è un compito difficile da automatizzare a causa dell’alto numero di gradi di libertà coinvolti. Questa tesi propone una ripianificazione del percorso per un manipolatore robotico a braccio singolo, impiegato nell’operazione di cablaggio di un DLO rigido fissato alle estremità, collocandolo all’interno di determinate clip. I sostegni che supportano queste clip rappresentano ostacoli nell’ambiente quando si segue il contorno del cavo. È quindi necessaria una metodologia in grado di evitare gli ostacoli noti mentre si scorre lungo il profilo del DLO, senza introdurre deformazioni eccessive. Le tecniche di scorrimento del DLO basate sui sensori tattili possono essere integrate con informazioni aggiuntive relative a un modello di forma globale del cavo. Questa stima è ottenuta utilizzando un ragionamento geometrico, ma anche tenendo conto di alcune proprietà fisiche del cavo e della gravità. Inoltre, è stato implementato un algoritmo basato sul campo di potenziale per evitare le collisioni con ostacoli noti, aumentando così il livello complessivo di sicurezza all’interno dell’area di lavoro. Il campo potenziale comprende campi repulsivi generati dai sostegni delle clip o da ulteriori ostacoli noti, insieme a un campo attrattivo risultante dalla integrazione di una strategia di stima locale esistente che impiega sensori tattili montati sulle dita del robot e la stima globale fornita dal modello introdotto in questa tesi. La procedura di aggiornamento del campo potenziale e della forma globale del cavo viene eseguita dopo ogni movimento della pinza, ottenendo un percorso privo di ostacoli. Una tecnica di rimodellamento dei potenziali repulsivi permette di evitare problemi di minimi locali e ottenere un percorso più regolare. Per validare la metodologia proposta vengono eseguiti degli esperimenti finali, evidenziando buoni risultati in varie configurazioni e dimostrando la robustezza della ripianificazione del percorso.