Algoritmi per la pianificazione del moto e la prevenzione di collisioni per robot antropomorfi

In recent years, rapid technological growth associated with industrial realization needs of products in ever shorter time intervals with low production costs, has led to the use of robots in industrial plants. These machines are capable, not only of replacing the man in the activities that may result laborious, repetitive or, generaly, undesired, but can also collaborate with the operator in specific activities where human intelligence is not yet replaceable by machines. The following thesis focuses on collaborative robots (called cobots) which typically work closely with humans. Therefore, to ensure the safety of the human operator, it is essential that these machines are equipped with appropriate security systems, which must be used with a certain level of intelligence. The final goal proposed for this thesis is to generate algorithms (based on the article “Real Time Strategy for Obstacle Avoidance in Redundant Manipulatros”) to make sure that the robot, during the execution of it's activity, if it detects the presence of an human operator (or any physical object in general), process promptly a new trajectory in order to avoid the collision with the object and be able to complete it's movement without having to stop, as is usually the case for cobots. The following thesis is divided into seven chapters, the first of which contains a brief general introduction to the robotics industry, with topics covered ranging from the historical evolution of this discipline to modern applications in the industrial field. Furthermore, the reader is introduced to the components of the robots, to the types of manipulators (ie the robotic arm without the end effector) and the branch of the collaborative robotics, focusing on safety aspects. The second chapter deals with the kinematics of rigid bodies in space. It starts from the position of a point expressed with respect to a reference frame, then passing to the orientation of a frame (can be considered integral with a rigid body) with respect to a fixed frame. Then the reader is introduced to a compact notation (homogeneous transformations) which contains simultaneously information on the position and relative orientation between two frames. The third chapter deals with differential kinematics, ie the calculation of position and velocity of the robot joints needed to move the end effector along the desired trajectory with the predetermined speed. In the fourth chapter is reported the strategy for moving the robot's end effector from the initial position to the final position, avoiding any obstacles that the robot would encounter during such motion. In the fifth chapter are reported all the algorithms implemented on MATLAB, based on the application of the theory present in the previous chapters and each of these functions is followed by a short description. In the sixth chapter are reported some simulations on MATLAB of the written algorithms, performed using Universal Robot's UR5 as a reference. It is a collaborative robot with six degrees of freedom in space, equipped with a sensor system capable of detecting any objects near the robot. In the end, there is a final discussion on the theme dealt within this thesis and the results obtained through software simulations.

Negli ultimi anni, una rapida crescita tecnologica associata ad esigenze industriali di realizzazione di prodotti in intervalli di tempo sempre più contenuti con bassi costi di produzione, ha portato all'utilizzo di robot negli stabilimenti industriali. Queste macchine sono in grado, non solo di sostituire l'uomo nelle attività lavorative faticose, ripetitive o, in generale, poco gradite, ma anche di collaborare con l'operatore in attività specifiche dove l'intelligenza umana non è ancora rimpiazzabile da quella artificiale. La seguente tesi ha come oggetto di studio proprio i robot collaborativi (denominati cobot) che tipicamente lavorano a stretto contatto con l'uomo. Dunque, per salvaguardare l'incolumità dell'operatore umano, risulta fondamentale che tali macchine siano dotate di appositi sistemi di sicurezza, i quali devono essere utilizzati con un certo livello di intelligenza. L'obiettivo finale proposto per questa tesi è di generare degli algoritmi (basandosi sull'articolo “Real Time Strategy for Obstacle Avoidance in Redundant Manipulatros”) per fare in modo che il robot, durante l'esecuzione della propria attività, qualora rilevi la presenza di un operatore umano (oppure di un qualsiasi oggetto fisico in generale), elabori tempestivamente una nuova traiettoria in modo da evitare l'urto con l'oggetto e riuscire a completare il proprio movimento senza doversi arrestare, come avviene solitamente in questi casi per i cobot. Il seguente trattato è suddiviso in sette capitoli, il primo dei quali contiene una breve introduzione generale al settore della robotica, con argomenti trattati che vanno dall'evoluzione storica di questa disciplina alle applicazioni moderne in campo industriale. Inoltre, si introduce il lettore alla componentistica dei robot, alle tipologie di manipolatori (cioè il braccio robotico senza il dispositivo terminale) ed infine viene trattato il ramo della robotica collaborativa, focalizzando sugli aspetti legati alla sicurezza. Il secondo capitolo tratta la cinematica dei corpi rigidi nello spazio. Si parte dalla posizione di un punto espresso rispetto a una terna di riferimento, passando poi all'orientamento di una terna (può essere considerata solidale a un corpo rigido) rispetto a una terna fissa. In seguito, si introduce una notazione compatta (trasformazioni omogenee) che contiene contemporaneamente informazioni sulla posizione e l'orientamento relativo tra due terne. Il terzo capitolo tratta la cinematica differenziale, ovvero il calcolo dello spostamento e della velocità dei giunti del robot necessari per muovere il dispositivo terminale lungo la traiettoria desiderata con la velocità prestabilita. Nel quarto capitolo è riportata la strategia per movimentare l'organo terminale del robot dalla posizione iniziale a quella finale, evitando eventuali ostacoli che a cui il robot andrebbe incontro durante tale moto. Nel quinto capitolo sono riportati tutti gli algoritmi implementati su MATLAB, applicativi della teoria presente nei capitoli precedenti e a ciascuna di queste funzioni segue una breve descrizione della stessa. Nel sesto capitolo sono riportate delle simulazioni su MATLAB degli algoritmi scritti, eseguite prendendo come riferimento l'UR5 della Universal Robots. Si tratta di un robot collaborativo con sei gradi di libertà nello spazio, dotato di un sistema sensoristico in grado di rilevare eventuali oggetti in prossimità del robot. Infine, è presente una trattazione conclusiva sul tema affrontato in questa tesi e i risultati ottenuti mediante le simulazioni sul software.