Collaborative Screwdriving: Integrating Robot Optimal Sequence Algorithms for Increased Efficiency

This thesis presents the design, analysis and optimization of a collaborative robotic workcell tailored for screwdriving tasks. Leveraging the capabilities of a collaborative robot (cobot) and advanced programming tools, the workcell is examined and optimized to maximize productivity while ensuring flexibility through collaboration. The collaboration between the cobot and the operator is orchestrated through a comprehensive application, integrating results from offline robot programming simulations, numerical programming algorithms and real-time vision detection. The optimization process exploits the inherent redundancy in screwdriving tasks to identify the optimal configuration of the robot and a sequence that minimizes cycle time. The resulting insights are seamlessly integrated into the collaborative application. It dynamically regulates the cobot's actions based on real-time information from detection algorithms. These algorithms determine the presence of screws and the operator's hands in the camera images, influencing the cobot's speed and optimizing its sequence of actions. The collaboration is designed to increase productivity and improve ergonomics by reducing physical fatigue and monotony for the operator. Both the operator and cobot work in sync on the same piece, with the cognitive organization of the task entrusted to the operator. The system demonstrates significant potential for enhancing productivity and flexibility in medium to large-sized components. The implemented collaborative approach not only showcases the successful integration of robotics in industrial applications but also emphasizes the importance of thoughtful task organization for optimal human-robot collaboration.

Questa tesi presenta la progettazione, l'analisi e l'ottimizzazione di una cella robotica collaborativa progettata per compiti di avvitamento. Sfruttando le capacità di un robot collaborativo (cobot) e strumenti avanzati di programmazione, la cella viene esaminata e ottimizzata per massimizzare la produttività garantendo al contempo flessibilità attraverso la collaborazione. La collaborazione tra il cobot e l'operatore è orchestrata attraverso un'applicazione completa, integrando i risultati dalle simulazioni di programmazione offline del robot, algoritmi di programmazione numerica e rilevamento visivo in tempo reale. Il processo di ottimizzazione sfrutta la ridondanza intrinseca nelle operazioni di avvitamento per individuare la configurazione ottimale del robot e una sequenza che minimizza il tempo del ciclo. I risultati sono integrati direttamente nell'applicazione collaborativa. Quest'ultima regola dinamicamente le azioni del cobot in base alle informazioni in tempo reale dagli algoritmi di rilevamento. Questi algoritmi determinano la presenza di viti e delle mani dell'operatore nelle immagini della telecamera, influenzando la velocità del cobot e ottimizzando la sua sequenza di azioni. La collaborazione è progettata per aumentare la produttività e migliorare l'ergonomia, riducendo la fatica fisica e la monotonia dell'operatore. Entrambi, operatore e cobot, lavorano sincronizzati sullo stesso pezzo, con l'organizzazione cognitiva del compito affidata all'operatore. Il sistema dimostra un notevole potenziale per migliorare la produttività e la flessibilità in componenti di dimensioni medie e grandi. L'approccio collaborativo sviluppato non solo mette in mostra l'integrazione di successo della robotica nelle applicazioni industriali, ma sottolinea anche l'importanza di una organizzazione attenta dei compiti per una collaborazione ottimale tra uomo e robot.