A task-consistent safety system for close cooperation between human workers and dual arm robotic manipulators

Despite the availability of robotic manipulators with high levels of productivity, precision and dexterity, large sectors of the manufacturing industry still rely on manual assembly for mass production of goods. Flexibility needed to keep up with rapidly changing products and production rates is often provided by human workforce, which is employed according to production demand, usually to perform repetitive and tiring operations. Human-robot collaboration is a promising solution to the problem: in fact, on one hand, robot indefatigability may relieve human workers from repetitive operations and, on the other hand, human work could increase the flexibility and the adaptability of the automated solution. Moreover, the increasing availability of dual arm, redundant, and human like, industrial robots is offering important tools to develop the human-robot collaboration production setup. However, such a scenario opens new challenges and requires novel methodologies to preserve workers' safety and robots productivity. The goal of this thesis is to develop a system for safe human-robot interaction, which avoids collisions between humans and robots, while guaranteeing completion of the task. In order to preserve productivity, the constraints composing the production task have to be identified and taken into account. For this, a classification of constraints defining a preplanned robot task, based on their relevance for task execution, is proposed, and a task-consistent sensor based collision avoidance strategy is presented. Moreover, this research aims at integrating the safety system with an industrial controller, in order to extend its functionalities with capabilities for adaptation to unstructured environments. By doing so, functionalities currently offered by industrial controllers are preserved, and the application of safety strategies to real world scenarios is simplified. All the results of this thesis are validated on the ABB dual arm concept robot (FRIDA).

Nonostante la disponibilità di robot dotati di elevata produttività, precisione e destrezza, in settori significativi dell'industria manifatturiera la produzione di massa di beni è ancora affidata alla lavorazione manuale. La flessibilità necessaria per realizzare prodotti che cambiano continuamente nei modelli e nei volumi di produzione, è ancora spesso ottenuta facendo ricorso alla manodopera umana, che viene impiegata in dipendenza della domanda, in lavori logoranti e ripetitivi. La collaborazione uomo-robot si offre come una soluzione promettente a questa situazione: infatti, se da un lato i robot possono sollevare i lavoratori umani dagli impieghi più ripetitivi, dall'altro l'uomo può accrescere la flessibilità e la capacità di adattamento dei robot grazie alla sua abilità. Inoltre, la crescente disponibilità di manipolatori industriali a due braccia, cinematicamente ridondanti e caratterizzati da un aspetto simile a quello umano, rappresenta un importante strumento per lo sviluppo dell'interazione uomo-robot. Questa prospettiva apre però nuove sfide tecniche e richiede nuovi metodi per garantire al contempo la produttività dei robot e la sicurezza degli operatori. Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo di un sistema per l'interazione sicura uomo-robot, che sia in grado di evitare le collisioni tra i due soggetti, garantendo però il completamento delle lavorazioni. Per preservare la produttività del robot, i vincoli che caratterizzano l'operazione compiuta devono essere identificati e adeguatamente considerati. A tal scopo, in questa tesi, viene proposta una classificazione dei vincoli che compongono un'operazione pre pianificata, in funzione della loro rilevanza per il completamento dell'operazione stessa. Viene poi introdotta una strategia anti collisione basata su tale classificazione e sull'utilizzo di sensori per il rilevamento di ostacoli. Inoltre, questa ricerca si pone l'obbiettivo di integrare il sistema di sicurezza con un controllore industriale, dotandolo così della capacità di adattamento ad ambienti non strutturati. In questo modo vengono conservate le funzionalità originali del controllore e viene semplificata l'applicazione a casi applicativi reali delle strategie di sicurezza. I risultati ottenuti in questa tesi sono stati verificati sperimentalmente utilizzando un prototipo di robot a due braccia, l'ABB FRIDA.