The automation of industrial scenarios by employing robots in logistic tasks such as packaging presents new challenges in robotics research, in terms of development of end-effectors for these applications, and of methodologies for the manipulation and the packaging of the items. The most commonly explored packaging problems are Bin Packing and Pick-and-Place. In these applications, the focus is mainly on checking if the item fits in the bin, and finding a placement for it; the packaging aspect is often as trivial as lowering the object above its intended position and releasing it. This thesis presents a more challenging but also more realistic application where the robot performs tight packaging, meaning that the container is filled with items so that they fit closely together, with minimum clearance between them. This setting provides a contact rich environment, with noise and disturbances coming from various sources of uncertainties, such as the unconstrained items in the container, the object localisation and the robot itself. This work investigates the effect of a reliable placing strategy, and of passive compliance in the system to improve robustness and success rate in such a task. It is achieved by exploiting the characteristics of a mechanically compliant hybrid gripper with variable stiffness mounted on a redundant robotic arm. Additionally, it explores the roles of the hand configuration and the stiffness level in the task execution. A complete pipeline is designed to execute the full operation, from the grasp of the items, through the plan of the packaging, to the placement of the object in the container, until the container is filled. The approach is tested, both in simulation and with the real robot, by evaluating it with a tight packaging and a stacking of building blocks, and with an emulated tight packaging task using cuboid boxes.

L’automazione di scenari industriali tramite l’impiego di robot in operazioni di logistica quali l’imballaggio presentano nuove sfide nella ricerca nell’ambito della robotica, in termini di sviluppo di manipolatori per queste applicazioni, e di metodologie per la manipolazione e l’imballaggio degli oggetti. I problemi di packaging più comunemente esplorati sono Bin Packing e Pick-and-Place. In questi campi, l’attenzione è principalmente rivolta a verificare se gli oggetti trovano spazio nel contenitore, e trovare la miglior collocazione per ciascuno; l’aspetto dell’impacchettamento è spesso semplice, ad esempio calando l’oggetto nella sua posizione. Questa tesi presenta un applicazione più impegnativa ma anche realistica, in cui un robot esegue un packaging compatto; in altre parole, in cui il contenitore viene riempito collocando gli oggetti vicini tra loro, lasciando il meno spazio possibile tra di essi. Tale scenario crea un ambiente ricco di contatti, con disturbi provenienti da numerose fonti di incertezza, come possono essere gli oggetti non vincolati alla loro posizione, o l’imprecisa localizzazione degli stessi. Questo lavoro esplora il contributo di una strategia di inserimento affidabile, e l’effetto della morbidezza passiva nel sistema al fine di migliorare la robustezza e la riuscita dell’operazione. A tal fine, l’approccio proposto si avvale delle caratteristiche meccaniche di un manipolatore ibrido dotato di rigidezza modulabile, montato su un braccio robotico. Inoltre, vengono studiati il ruolo della configurazione della mano robotica e quello del livello di rigidezza nell’esecuzione. Una pipeline completa è sviluppata per eseguire l’intera operazione, partendo dall’afferraggio degli oggetti, passando per la pianificazione del packaging e per la collocazione del prodotto, fino a che il contenitore non è riempito. L’approccio viene testato, sia in simulazione che nella realtà, prima imballando e poi impilando mattoncini, e successivamente impacchettando delle scatole.

Manipulation pipeline for robotic tight packaging using variable stiffness

MORONI, MICHELE
2022/2023

Abstract

The automation of industrial scenarios by employing robots in logistic tasks such as packaging presents new challenges in robotics research, in terms of development of end-effectors for these applications, and of methodologies for the manipulation and the packaging of the items. The most commonly explored packaging problems are Bin Packing and Pick-and-Place. In these applications, the focus is mainly on checking if the item fits in the bin, and finding a placement for it; the packaging aspect is often as trivial as lowering the object above its intended position and releasing it. This thesis presents a more challenging but also more realistic application where the robot performs tight packaging, meaning that the container is filled with items so that they fit closely together, with minimum clearance between them. This setting provides a contact rich environment, with noise and disturbances coming from various sources of uncertainties, such as the unconstrained items in the container, the object localisation and the robot itself. This work investigates the effect of a reliable placing strategy, and of passive compliance in the system to improve robustness and success rate in such a task. It is achieved by exploiting the characteristics of a mechanically compliant hybrid gripper with variable stiffness mounted on a redundant robotic arm. Additionally, it explores the roles of the hand configuration and the stiffness level in the task execution. A complete pipeline is designed to execute the full operation, from the grasp of the items, through the plan of the packaging, to the placement of the object in the container, until the container is filled. The approach is tested, both in simulation and with the real robot, by evaluating it with a tight packaging and a stacking of building blocks, and with an emulated tight packaging task using cuboid boxes.
HUEZO MARTIN, ANA ELVIRA
ROA, MÁXIMO A.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
9-apr-2024
2022/2023
L’automazione di scenari industriali tramite l’impiego di robot in operazioni di logistica quali l’imballaggio presentano nuove sfide nella ricerca nell’ambito della robotica, in termini di sviluppo di manipolatori per queste applicazioni, e di metodologie per la manipolazione e l’imballaggio degli oggetti. I problemi di packaging più comunemente esplorati sono Bin Packing e Pick-and-Place. In questi campi, l’attenzione è principalmente rivolta a verificare se gli oggetti trovano spazio nel contenitore, e trovare la miglior collocazione per ciascuno; l’aspetto dell’impacchettamento è spesso semplice, ad esempio calando l’oggetto nella sua posizione. Questa tesi presenta un applicazione più impegnativa ma anche realistica, in cui un robot esegue un packaging compatto; in altre parole, in cui il contenitore viene riempito collocando gli oggetti vicini tra loro, lasciando il meno spazio possibile tra di essi. Tale scenario crea un ambiente ricco di contatti, con disturbi provenienti da numerose fonti di incertezza, come possono essere gli oggetti non vincolati alla loro posizione, o l’imprecisa localizzazione degli stessi. Questo lavoro esplora il contributo di una strategia di inserimento affidabile, e l’effetto della morbidezza passiva nel sistema al fine di migliorare la robustezza e la riuscita dell’operazione. A tal fine, l’approccio proposto si avvale delle caratteristiche meccaniche di un manipolatore ibrido dotato di rigidezza modulabile, montato su un braccio robotico. Inoltre, vengono studiati il ruolo della configurazione della mano robotica e quello del livello di rigidezza nell’esecuzione. Una pipeline completa è sviluppata per eseguire l’intera operazione, partendo dall’afferraggio degli oggetti, passando per la pianificazione del packaging e per la collocazione del prodotto, fino a che il contenitore non è riempito. L’approccio viene testato, sia in simulazione che nella realtà, prima imballando e poi impilando mattoncini, e successivamente impacchettando delle scatole.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/219507