Realizzazione e sperimentazione di un sensore di distanza distribuito per il controllo attivo della sicurezza nell'interazione uomo robot

During the last few years, the growing demand for a greater flexibility of the production has led industrial robotics to develop an increasing interest in the possibility of a direct interaction between humans and robots within factories, which is at present denied by a severe regulations regarding safety in the Human-Robot Interaction. This thesis has been developed in such a context: a prototype of a distributed sensor based on 20 LED distance sensor has been produced. The prototype has to be placed on the surface of an industrial robot in order to detect external object placed in the proximity of the robot itself. A specific algorithm that determines the optimal placement of each sensor on the manipulator has then been designed. The information provided by the distributed sensor has been used as an input for a safety-oriented control law, based on the previously introduced concept of danger field. Such control law has been specifically conceived to exploit all the measurements of the distributed sensor. The control law guarantees that the robot executes its main task until the sensor detects objects placed in dangerous positions. In that case, the main task is gradually suspended, at first by having the robot assume a safer posture. If this action is not enough, the main task is completely suspended and the manipulator escapes from the detected obstacles, improving their safety. The distributed sensor and the safety oriented control have been tested in a simulation environment, combining Simulink and Dymola, that reproduces both the complete model of the ABB IRB 140 manipulator and the distributed sensor, controlled via Simulink and capable of interacting with various models of external objects. The effectiveness of the control law based on the measurements of the distributed sensor has finally been intensively tested in various experiments, using the IRB 140 manipulator and the setup available at the Automatic Control Laboratory of Politecnico di Milano.

Negli ultimi anni l'esigenza di una sempre maggiore flessibilità della produzione sta spingendo la robotica industriale a interessarsi in maniera crescente alla possibilità di far interagire direttamente gli operatori umani con i manipolatori all'interno delle fabbriche, uno scenario ad oggi irrealizzabile data la severa normativa che riguardante la sicurezza dell'interazione uomo-robot (Human-Robot Interaction o HRI) nel contesto industriale. Il presente lavoro di tesi si inserisce in questo contesto, sviluppando un prototipo di sensore distribuito costituito da 20 sensori di distanza LED da posizionare sui link di un manipolatore. Scopo del sensore è quello di individuare la presenza di eventuali corpi estranei che si trovino in prossimità del robot. A questo fine si è sviluppata una procedura per stabilire la posizione ottimale dei sensori sul manipolatore. Le misure provenienti dal sensore sono state utilizzate in uno schema di controllo di sicurezza, basato sul concetto precedentemente introdotto in letteratura di danger field, opportunamente concepito per sfruttare tutte le misure del sensore distribuito. Il controllo garantisce che il manipolatore svolga il proprio compito principale finché non vengono individuati oggetti in posizioni pericolose, nel qual caso il compito principale viene gradualmente rilasciato, dapprima modificando la posa del manipolatore. Se ciò non è sufficiente, si intraprende un'azione evasiva che allontana il manipolatore dagli oggetti in pericolo, rilasciando completamente il compito principale. Il sensore distribuito integrato al controllo di sicurezza è stato inizialmente testato in un ambiente di simulazione misto Simulink-Dymola, che riproduce il modello completo del manipolatore ABB IRB 140 e del sensore distribuito controllati dall'apposito schema di controllo sviluppato in Simulink, e che è in grado di interagire con diversi modelli di oggetti esterni. L'efficacia dell'azione di controllo basata sulle misure del sensore distribuito è stata infine diffusamente dimostrata tramite diversi esperimenti, sfruttando il manipolatore IRB 140 e l'apparato sperimentale presenti nel Laboratorio di Automatica del Dipartimento di Elettronica e Informatica del Politecnico di Milano.