Design and validation of an XR-enhanced safety system for human-robot collaboration based on speed and separation monitoring

In the context of Industry 5.0, the human-robot collaboration (HRC) represents a key element to guarantee safe, efficient, adaptive operations in shared industrial environments. In this perspective, this thesis work faces the development and the experimental validation of an advanced collaborative system based on the Speed and Separation Monitoring (SSM) method, as defined by the ISO/TS 15066 standard. The implemented logic has the aim of modulate the absolute velocity of a Techman Robot TM5-700 exploiting the relative velocities of the manipulator itself and a human operator. Moreover, it has been proposed an innovative solution to integrate cognitive data to modulate the behavior of a robot manipulator on the basis of the attention level of the operators. A mixed reality Varjo XR-4 Focal Edition headset has been used to real-time track the user's data and to interact with the digital twin of the collaborative cell. An eye tracking module is responsible for dynamic modulation of safety parameters while monitoring the user's eyes data. In the end, an anticipatory visual cue has been added as a guiding element for the operator and reduce the overall cognitive workload. Experimental tests showed positive results, confirming a reduction in the overall effort during the system's usage as well as an increase in the performances while keeping an high level of safety and avoiding potentially dangerous conditions during in the operations.

Nel contesto dell'Industria 5.0, la robotica collaborativa gioca un ruolo cruciale nel garantire interazioni efficienti e sicure in spazi di lavoro condivisi. Il lavoro di questa tesi si è incentrato sullo sviluppo e successiva validazione sperimentale di un sistema collaborativo avanzato basato sui principi del metodo Speed and Separation Monitoring (SSM) come affermato nella norma ISO/TS 15066. La logica implementata ha l'obiettivo di modulare dinamicamente la velocità assoluta di un manipolatore Techman Robot TM5-700 sfruttando le velocità relative del robot stesso e di un operatore umano. Inoltre, viene proposta una soluzione innovativa per integrare l'uso di dati cognitivi che aiutino ad adattare il comportamento del robot sulla base del livello di attenzione dell'utilizzatore. E' stato utilizzato un visore in realtà mista Varjo XR-4 Focal Edition per, allo stesso tempo, tracciare i dati dell'operatore e interagire con il gemello digitale della cella collaborativa. E' stato introdotto un modulo di tracciamento oculare per modulare dinamicamente alcuni parametri di sicurezza del sistema monitorando i dati degli occhi dell'operatore. Infine, sono stati aggiunti segnali visivi anticipatori come elementi guida per l'operatore per ridurre il carico di lavoro cognitivo risultante. I test sperimentali hanno mostrato risultati positivi, confermando una riduzione dello sforzo complessivo riscontrato durante l'uso del sistema così come un incremento delle prestazioni seppur mantenendo un alto livello di sicurezza ed evitando situazioni potenzialmente pericolose durante le operazioni.