Prevenzione in tempo reale delle auto-collisioni basata sul campo di sicurezza in un robot antropomorfo a doppio braccio

The increasing number of robots in industrial and domestic environments has been connected to a growing interest in redundant manipulators (robotic arms having more degrees of freedom than those strictly necessary to perform a certain task) and recently in dual-arm humanoid robots. For these manipulators an important issue refers to possible collisions with both obstacles (including also human beings) and the own robot arms. This thesis develops a method for real-time self-collision avoidance in dual-arm humanoid robots, without using exteroceptive sensors. It is based on the introduced concept of "safety field", an assessment about the risk in the vicinity of a robotic arm, that captures its configuration and velocity but also its shape and size. Thanks to this danger assessment index together with the presence of redundant degrees of freedom, the configuration of the two arms is modified in real-time to reduce the risk of self-collisions, without modifying the end-effectors' motion. Eventually, it is shown a possible application of "safety field" in safe human-robot coexistence. The risk in the vicinity of a human being can be estimated thanks to a visual system in order to change the robot configuration and hence reduce the risk of human-robot collisions. A possibility to suspend the task, if some safety requirements are violated, is taken into consideration and "Reflexxes" motion library is used for real-time trajectory generation when subsequent task consistency occurs.

Il crescente utilizzo di robot in ambito industriale e domestico è stato accompagnato da un progressivo interesse nei confronti di manipolatori ridondanti (bracci robotici che hanno più gradi di libertà di quelli strettamente necessari ad eseguire un certo compito) e più recentemente nei confronti di robot antropomorfi a doppio braccio. Per tali manipolatori una problematica degna di interesse è costituita dalla possibilità che avvengano collisioni non solo con ostacoli esterni (inclusi eventuali esseri umani), ma anche tra i bracci stessi del manipolatore. Questa tesi sviluppa un metodo, applicabile in tempo reale, per la prevenzione di possibili auto-collisioni in un robot antropomorfo a doppio braccio, senza l’utilizzo di sensori esterocettivi. Tale risultato è raggiunto grazie all’introduzione di un indice, chiamato campo di sicurezza (“safety field”), in grado di quantificare il grado di pericolosità associato ad un intero braccio robotico, sulla base non solo della sua posizione e velocità, ma anche della sua forma e delle sue dimensioni reali. Grazie a questa informazione e alla presenza di gradi di libertà ridondanti, le posture dei due bracci sono corrette in tempo reale per diminuire il rischio di auto-collisioni, senza modificare il moto dei due organi terminali. Viene poi mostrata una possibile applicazione del concetto di campo di sicurezza nell’ambito della coesistenza sicura tra uomo e robot all’interno dello stesso spazio lavorativo. Mediante l’utilizzo di un sistema visivo è possibile quantificare il grado di pericolosità associato al corpo umano e modificare opportunamente le posture dei bracci robotici per evitare il rischio di collisioni tra uomo e robot. E’ adottata inoltre una logica di rilassamento del/dei task (ovvero dei compiti che devono essere eseguiti dal robot), nel caso in cui certe specifiche di sicurezza vengano violate, ed è utilizzata la libreria di moto “Reflexxes” per la generazione in tempo reale delle traiettorie degli organi terminali, una volta che il task o i task possano essere riattivati.