Human-centric behaviour of redundant manipulators under kinematic control

Although robustness and safety of industrial robots have considerably increased in the last decades, common industrial manipulators are still largely unable to cooperate with human beings in a natural way. A novel fact in recent years which may contribute to alleviate this situation is the commercial availability of redundant manipulators (i.e. robotic arms having more degrees of freedom than those strictly necessary to perform a certain task). It is well known that such robotic arms allow to achieve high levels of dexterity: since the same task can be performed in several ways, redundant manipulators of- fer a wide range of flexibility in motion planning. Moreover, thanks to the extra Degree(s) of Freedom (DOF), it is possible to modify in real-time the behavior of the robot, in order improve safety in the cooperation with human co-workers, without modifying the end-effector motion. The aim of this research is to study strategies to exploit the kinematic redun- dancy of robot manipulators in order to make their motion as natural as possible. Since the robot is supposed to cooperate with humans, its motion should be pre- dictable, safe, and intuitive. This work is then focused on the development of cri- teria to design, and enforce on an industrial robot control architecture, a human-like kinematic control for redundant manipulators. In this way, a human-friendly behavior of the robot will ensure a natural cooperation between robotic manipu- lators and humans, which is not obtained with today commercial industrial ma- nipulators.

Nonostante la robustezza e l’affidabilità dei robot industriali sia considerevolmente cresciuta negli ultimi decenni, i comuni manipolatori industriali non sono tuttora idonei per una cooperazione naturale con gli esseri umani. Una novità degli ultimi anni che potrebbe mitigare questa situazione e la disponibilità commerciale di manipolatori ridondanti (bracci robotici con più gradi di libertà rispetto a quelli strettamente necessari per eseguire un certo compito). E' noto che questi bracci robotici consentono di ottenere elevati gradi di destrezza: il medesimo compito può essere infatti eseguito in diversi modi e per questo motivo i manipolatori ridondanti offrono una maggiore flessibilità nella pianificazione del movimento. Inoltre, grazie ai gradi di libertà aggiuntivi, e sempre possibile modificare il tempo reale il comportamento del robot in modo da incrementare la sicurezza nella cooperazione con gli operatori umani, senza alterare il moto dell’organo terminale. Questa ricerca si pone l’obiettivo di studiare metodologie di utilizzo della ridondanza cinematica dei manipolatori robotici in modo da rendere il loro moto il più naturale possibile. Per una migliore cooperazione uomo-macchina, il moto del braccio robotico dovrebbe risultare predicibile, sicuro ed intuitivo. Questo lavoro e mirato allo sviluppo di criteri per il progetto di algoritmi “umano-centrici” di inversione cinematica e alla loro implementazione all’interno di un controllore industriale. In questo modo, un moto più naturale del robot assicurerà una cooperazione più spontanea tra persone e manipolatori robotici che al momento non e ottenibile con i più moderni robot commerciali.