Sistema di controllo per l'interazione sicura uomo robot basato su un nuovo sensore di distanza distribuito

ROSETTA is a project funded by the European Union in which Politecnico di Milano partecipates. One of its goals is the development of control system for industrial robots characterized by the ability to cooperate with human operators. This project introduces different innovative technological concepts, And this thesis contributes with measurement and control systems which guarantee the safety in human-robot interaction. Starting from results obtained in previous works, innovative contributions are offered, both for measuring instruments and for control systems. A new distribuited sensor prototype, based on 32 LED distance sensors, has been developed. Some of these LED sensors are placed on a “shell”, i.e. a rigid structure designed to be a support for the sensors, to be attached to the links of the robot. This “shell” has been produced by a 3D printer, and includes housings for sensors and cablings. The information provided by the distribuited sensor have been used as an input for control laws, based on the mechanical impedance concept, and on the Danger Field, a safety assessment introduced in previous works. The control laws have been developed to guarantee that the robot does not make dangerous motions and can escape from detected objects or human operators in its working environment, improving their safety. The entire system has been simulated in Simulink-Dymola, and then it has been experimentally tested on ABB FRIDA available at the laboratory of Automatic Control of the Department of Electronics, Information and Bioengineering of the Politecnico di Milano. FRIDA is a new prototype of dual arm robot, each arm being characterized by 7 d.o.f.. It has been designed to have human like motions and appearance. The developed control laws are innovative because they exploit the advantageous features of this new type of robot, and they use new concepts like a state machine. This state machine is used to better coordinate the tasks of various phases of robot work cycle.

Il progetto ROSETTA finanziato dall’Unione Europea, al quale il Politecnico di Milano partecipa, ha tra i suoi obiettivi lo sviluppo di sistemi di controllo per robot industriali in grado di cooperare a stretto contatto con operatori umani. Diversi sono gli aspetti di innovazione tecnologica introdotti in questo progetto, a cui il presente lavoro di tesi contribuisce con particolare attenzione allo sviluppo di sistemi di misura e controllo per garantire la sicurezza nell’interazione tra uomo e robot. A partire dai concetti introdotti in precedenti lavori di tesi, si sono apportate innovazioni sia negli strumenti di misura che nei sistemi di controllo: si è ideato e realizzato un nuovo prototipo di sensore distribuito costituito da 32 sensori di distanza LED, applicati su delle “shell”. Con questo si intende una struttura rigida, creata con una stampante 3D, che funge da supporto ai sensori e può essere applicata ai link di un generico robot. Le misure fornite dal sensore distribuito sono state sfruttate all’interno di schemi di controllo basati sul concetto di impedenza meccanica, e sull’utilizzo del Danger Field, una misura di pericolo nell’interazione uomo-robot concepita in precedenti lavori. Tali schemi sono stati sviluppati per garantire che il manipolatore non commetta azioni pericolose ai danni di persone o cose interne al suo ambiente di lavoro. L’intero sistema è stato prima simulato in ambiente Simulink-Dymola, per poi essere validato sperimentalmente sul manipolatore ABB FRIDA. Si tratta di un prototipo di manipolatore a due bracci, disponibile nel laboratorio di Automatica del Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano. Ciascun braccio di FRIDA dotato di 7 gradi di libertà è progettato per avere movimenti e sembianze simili a quelle dell’uomo. Gli schemi di controllo sviluppati presentano contributi innovativi sia perché sfruttano al meglio le vantaggiose caratteristiche di questa nuova tipologia di robot, sia perché utilizzano algoritmi di nuova concezione. In particolare è stata introdotta una logica codificata in una macchina a stati, utilizzata per coordinare le diverse fasi del ciclo di lavoro del robot.