Development and validation of a blind robotic manipulation strategy for the peg-in-tube process in the pharmaceutical sector: a deflection sensor-based approach

The study presented in this thesis focuses on the development of a robotic manipulation procedure for inserting caps into unfixed test tubes within a rack, without the use of force control (or impedance control) and vision systems. To evaluate the validity of the proposed strategies, the Smart Flex Effector by Bosch Rexroth was used. This compensation device, positioned between the end of a robotic arm and the end-effector, is capable of measuring deflections in six degrees of freedom. The experimental approach began with defining the problem and identifying potential sources of error. Subsequently, three strategies were developed: the Blind Search Strategy, for identifying the direction of the test tube’s hole; the Blind Insertion Strategy, for detecting the successful insertion of the cap into the hole; and the Auto-compensation Strategy, for realigning the cap to the correct position after insertion. All strategies rely on the deflection measurements provided by the Smart Flex Effector, which allows for monitoring the achievement of predefined thresholds. Validation of the strategies was carried out through an initial series of tests on fixed test tubes to minimize the influence of movement, followed by tests on unfixed test tubes. The parameters analyzed include the success rates of the procedure and cycle times. The results showed promising values both for fixed test tubes and, in particular, for unfixed test tubes, confirming the effectiveness of the developed strategies. Future developments will focus on using more rigid structures to enhance the reliability and performance of the strategies and exploring additional geometries of caps and test tubes to a better generalization of the proposed solutions.

Lo studio presentato in questa tesi si è focalizzato sullo sviluppo di una procedura di manipolazione robotica per l’inserimento di tappi all’interno di provette non fissate in un rack, senza l’impiego di controllo di forza (o di impedenza) e senza l’utilizzo di sistemi di visione. Per esplorare la validità delle strategie proposte, è stato utilizzato lo Smart Flex Effector di Bosch Rexroth, un dispositivo di compensazione montato tra l’estremità di un braccio robotico e l’End Effector, capace di effettuare misurazioni delle deflessioni in sei gradi di libertà. L’approccio sperimentale adottato si è basato innanzitutto sulla definizione del problema e sulla ricerca delle potenziali fonti di errore. Successivamente, sono state sviluppate tre strategie: la Blind Search Strategy, per identificare la direzione del foro della provetta; la Blind Insertion Strategy, per verificare l’avvenuto inserimento del tappo all’interno del foro; e la Auto-compensation Strategy, per riallineare il tappo nella posizione corretta dopo l’inserimento. Tutte le strategie fanno uso delle misurazioni delle deflessioni fornite dallo Smart Flex Effector, che consente di monitorare il raggiungimento delle soglie predefinite. La validazione delle strategie è stata effettuata attraverso una serie di test iniziali su provette fissate, per minimizzare l’influenza del movimento della provetta, seguiti da test su provette non fissate. I parametri analizzati includono le percentuali di successo nell’esecuzione della procedura e i tempi di ciclo. I risultati ottenuti hanno dimostrato valori promettenti sia nel caso delle provette fissate sia, in particolare, delle provette non fissate, confermando l’efficacia delle strategie sviluppate. Per i futuri sviluppi, si prevede di utilizzare strutture più rigide per migliorare l’affidabilità e le prestazioni delle strategie, nonché di esplorare ulteriori geometrie di tappi e provette al fine di ampliare la generalizzazione delle soluzioni proposte.