Programming by demonstration for a cobot welding application

The shift in industrial production towards more customized products requires easily reconfigurable automation. Collaborative robots have emerged as a crucial technology in this context, as they are designed to work alongside humans, enhancing flexibility. However, small and medium size enterprises remain hesitant to invest in them, mainly due to a lack of robot programming knowledge among the staff. Programming by Demonstration (PbD) addresses this challenge by simplifying the robot programming process, allowing users to demonstrate desired robot skills instead of manually specifying complex programs. This approach is suited to lower programming time and effort since the user does not have to be involved with coding. However, in many industrial applications, there is a lack of algorithms capable of capturing all the necessary information. For instance, in welding operations, the operator still needs to manually define robot commands and set parameters like welding speed. This thesis proposes a PbD framework to program a welding task for products with a small batch size, leveraging on a single kinesthetic demonstration without requiring the user to input any additional parameter. The framework autonomously identifies the scene by capturing the positions and orientations of workpieces within the workspace. Based on the demonstration, it generates the trajectory as a sequence of motion primitives (linear, circular, and point-to-point movements). Moreover, it also defines the orientations and the end-effector velocity for each movement. The framework's intuitiveness and effectiveness are validated within an experimental campaign by a pool of users with diverse expertise in robotics.

Il passaggio della produzione industriale verso prodotti più personalizzati richiede una automazione facilmente riconfigurabile. In tale contesto, i robot collaborativi sono emersi come una tecnologia chiave, poiché sono progettati per lavorare insieme agli esseri umani, migliorando la flessibilità operativa. Tuttavia, le piccole e medie imprese sono ancora riluttanti a investire in queste tecnologie, principalmente a causa della scarsa conoscenza del personale riguardo alla programmazione. La Programmazione per Dimostrazione (PbD) affronta tale sfida semplificando il processo di programmazione dei robot, permettendo agli utenti di dimostrare le abilità richieste al robot anziché specificarle manualmente tramite complessi linguaggi di programmazione. Questo approccio riduce i tempi e gli sforzi di programmazione, poiché l'utente non interagisce direttamente con il codice. Tuttavia, in molte applicazioni industriali, mancano ancora algoritmi in grado di catturare tutte le informazioni necessarie. Ad esempio, nelle operazioni di saldatura, l'operatore deve spesso definire manualmente i movimenti del robot e impostare parametri come la velocità di saldatura. Questa tesi propone un framework PbD per la programmazione di un’attività di saldatura per produzioni in piccoli lotti, utilizzando una singola dimostrazione cinestetica e senza richiedere alcun parametro aggiuntivo da parte dell'utente. Il framework identifica autonomamente la scena identificando le posizioni e gli orientamenti dei pezzi nell'area di lavoro. Sulla base della dimostrazione, genera la traiettoria come una sequenza di primitive di movimento (movimenti lineari, circolari e punto-a-punto). Inoltre, per ciascun movimento definisce gli orientamenti e la velocità della pistola di saldatura. L’intuitività e l’efficacia del framework sono state validate attraverso una campagna sperimentale condotta su un gruppo di utenti con diversi livelli di conoscenza della robotica.