Determinazione in tempo reale di indici di pericolo per la cooperazione sicura uomo robot

In the past few years the need of more flexibility in the industrial production has implied, in the field of industrial robotics, a growing attention towards the possibility of making humans work directly in touch with robots. While totally out of reach just a few years ago, this purpose cannot be completely achieved due to the presence of strict regulations about safety of human workers in an automated industrial environment. This thesis is part of the research done inside the ROSETTA project, funded by the EU within the Seventh Research Framework Program. ROSETTA aims at developing a Safety Controller capable of allowing humans to interact with active robots and also capable of ensuring humans' safety. In particular this thesis describes the design and development of "Danger Index" (DI), the software component of ROSETTA Safety Controller responsible for evaluating the real-time severity of a possible collision between the human and the robot. DI computes the values of several danger indexes: relative velocity between the human and the robot, robot's equivalent mass, impact force, impactor radius, material stiffness in the impact point, human's body part that can be hit and kind of collision. Having computed all these values, DI performs a query on a table that stores, for each possible combination of the danger indexes' values, the corresponding overall severity value, expressed with a colour code. The DI component has been integrated inside the ROSETTA Safety Controller and in particular with the vision system, the intention estimation software and the real time robot controller. Finally the overall Safety Controller has been tested and verified using the ABB IRB140 robot and the experimental equipment available in the Automatic Control Lab of the Dipartimento di Elettronica e Informazione of Politecnico di Milano.

Negli ultimi anni l’esigenza di una sempre maggiore flessibilità della produzione ha determinato, nel campo della robotica industriale, un crescente interesse verso la possibilità di far interagire direttamente gli operatori umani con i manipolatori. Il raggiungimento di questo obiettivo, del tutto impensabile fino a pochi anni fa, ancora oggi è ostacolato dalla presenza di rigide normative che regolano la sicurezza dell’interazione uomo-robot (Human-Robot Interaction o HRI) nel contesto industriale. Questo lavoro di tesi si colloca all'interno delle ricerche del progetto ROSETTA, finanziato dal'Unione Europea nell'ambito del Settimo Programma Quadro della Ricerca, il quale ha tra i suoi obiettivi lo sviluppo di un controllore di sicurezza (Safety Controller) in grado sia di garantire la sicurezza degli operatori umani, sia di permettere a questi ultimi di lavorare a stretto contatto con il robot. In particolare la tesi si concentra sullo sviluppo di un componente software del controllore di sicurezza (denominato "Danger Index" - DI) preposto alla valutazione in tempo reale della pericolosità delle potenziali collisioni tra uomo e robot. Il componente DI calcola i valori dei seguenti indici di pericolo: velocità relativa tra uomo e robot, massa equivalente del robot, forza di impatto, rigidezza e curvatura della superficie del robot nel punto di impatto, parte del corpo della persona coinvolta e tipologia di collisione. A questo punto viene interrogata una tabella contenente, per ogni possibile tupla di valori degli indici di pericolo, il valore complessivo della corrispondente pericolosità (o severity index) espressa attraverso un codice colore. Il componente software DI è stato successivamente integrato con il sistema di visione, con il sistema di stima delle intenzioni della persona e con il controllore in tempo reale del robot. Infine l’efficacia dell’azione di controllo basata sulla valutazione del pericolo effettuata dal software DI è stata dimostrata attraverso diversi esperimenti condotti servendosi del manipolatore ABB IRB 140 e dell’apparato sperimentale presente nel Laboratorio di Automatica del Dipartimento di Elettronica e Informatica del Politecnico di Milano.