Cooperazione uomo robot : criteri per la valutazione e il calcolo degli spazi minimi di sicurezza

In this thesis, developed at ITIA-CNR laboratories, a new method for the computation of the minimum safety distances between robot and operator is introduced and developed. This method is based on the information provided by sensors and robots and the safety distance allow the safe-sharing of a shared workspace. To address this problem, the danger zone around the robot that is calculated in real time. It is a function of latency of the network, speed of the robot and the operator and relative position between robot and operator taking into account the configuration of the manipulator. To achieve this goal the communication network used to move sensor and robot data to a central node has been analyzed. The communication protocol the latency of the various components of the network and the computing time has been considered, too. It is also studied how to use innovative sensor channels suitable for a real-time tracking of the operator, and how to use this information for the calculation of dynamic safety conditions according to local operating conditions. The use of danger field has been analyzed in a simulation, that allows to discriminate in every moment if the status of robot and operator guarantee safety or not. To practice with different scenarios, two cases with different robots and sensors with different configurations have been designed. The first case is a system composed of a KUKA robot and an infrared sensor LWR4 + NDI Polaris, while in the second one we have studied a system consisting of a passive radio-localization sensor network and a Comau robot. The results has been analyzed by using simulation tools, through the creation of models and Matlab simulations, and by employing experimental tests conducted on real robots and sensors; in this case, parts of the code have been written in the C ++ language. The results highlight the improvement of system performances and the advantage of having the safety zones that dynamically change by tracking the motion of the robot.

Nella presente tesi, sviluppata presso l’Istituto di Tecnologie Industriali e Automazione del Consiglio Nazionale delle Ricerche (ITIA-CNR), viene descritto e implementato un nuovo metodo di calcolo per le distanze di sicurezza, che devono essere mantenute tra uomo e robot per garantire la sicurezza dell’operatore, sulla base di informazioni generate dai sensori e robot. L’approccio con cui si è affrontato il problema è stato quello di trovare una soluzione che generi delle zone di pericolo attorno al robot che siano calcolabili in tempo reale e che siano funzione di tempi di latenza di rete, velocità di robot e operatore e della posizione relativa tra robot e operatore tenendo conto della configurazione del manipolatore. Per raggiungere questo scopo è stata necessaria una analisi su una generica rete di comunicazione, si è definito un protocollo di comunicazione attraverso la quale vengono veicolati i dati provenienti dai sensori e robot. Inoltre si è effettuato uno studio dei tempi di latenza delle varie componenti di rete e dei tempi di calcolo necessari. Si è studiato inoltre come utilizzare canali sensoriali innovativi adeguati ad un tracciamento dell’operatore in tempo reale, e come utilizzare tale informazione per il calcolo di condizioni di sicurezza dinamiche in base alle condizioni operative locali. E’ stato poi costruito un algoritmo basato in grado di discriminare in ogni istante se le condizioni di base di robot e operatore soddisfano dei requisiti di sicurezza. Per avere una sensibilità a diversi scenari sono stati studiati due casi reali in cui erano presenti sensori e robot aventi caratteristiche diverse. Nel primo caso si è studiato un sistema composto da un robot KUKA LWR4+ e un sensore infrarosso NDI Polaris, mentre nel secondo caso si è studiato un sistema di radiolocalizzazione passiva e robot Comau. I risultati sono stati analizzati sia in simulazione, attraverso la creazione di Modelli e Simulazioni Matlab, sia sul campo, mediante delle prove sperimentali condotte su robot e sensori reali in cui parti di codice sono state scritte in linguaggio C++. I risultati mettono in evidenza il miglioramento delle prestazioni del sistema e il vantaggio di avere delle zone di sicurezza che inseguano il moto del robot in modo continuo