A new paradigm in human-robot collaboration has allowed to place robots nearby human operators, working close to each other in the industrial environment. As a consequence, human safety has become of paramount importance, together with production efficiency. New methods for robot programming can be exploited to simplify the way the trajectory is taught to the robot. In particular, the so-called "walk-through" technique allows to manually guide the robot through the desired trajectory. Since industrial robots are characterize by a stiff and non-backdrivable structure, the admittance control can be implemented to make them compliant. A force-torque sensor is mounted on the robot wrist and human forces can be translated into robot movements. However, the main limitation of admittance control is represented by rising instabilities when the robot interacts with a stiff environment. This can happen, for example, when the user grasps the robot wrist stiffening his/her arm. Instability induces high amplitude oscillations, threatening human operator's safety. To restore stability, a method for detecting rising oscillations and for modifying admittance control parameters have been presented. Once a desired trajectory has been taught to the robot, it is likely that the user needs to change the trajectory in a precise way and with a specific shape. A passivity-based framework to modify the trajectory online has been proposed, to manually drive the robot throughout the desired correction. To properly guarantee human safety and to obtain effective human-robot collaboration, the human prediction has been added to the system. Hence, when the human is working closely to the robot, the prediction algorithm determines whether the human operator is going to approach to the robot, in order to physically interact with it. Otherwise, the system has to properly react to the human movement, by avoiding the collision. For this reason, safety barriers have been built around each robot link and an optimization algorithm minimizes the difference between the nominal acceleration input and the commanded one. Finally, ROSSINI European project represents a concrete example of industrial scenarios where humans and robots work together. This project aims to develop an inherently safe hardware-software platform for the design and deployment of human-robot collaboration applications in manufacturing. Three industrial use-cases have been proposed and they regard assembly, handling and active cooperation. A two-layer scheduler manages task assignment and robot task scheduling. The optimization-based first layer assigns tasks to the human or to the robot, based on durations and costs. Job quality, agent capability, economic effort are some of the metrics used. The second layer, instead, manages robot parallel tasks, depending on the remaining time for the human to complete his/her task.

Un nuovo paradigma nella collaborazione tra uomo e robot ha permesso di posizionare i robot vicino agli operatori umani, per lavorare a stretto contatto in ambienti industriali. Di conseguenza, la sicurezza per l'operatore è diventata di grande importanza, insieme all'efficienza produttiva. Nuovi metodi per la programmazione dei robot permettono di semplificare il modo in cui viene insegnata una nuova traiettoria al robot. In particolare, attraverso quella che viene chiamata "guida manuale", l'operatore può fisicamente trascinare il robot lungo la traiettoria da imparare. Poichè i robot industriali sono caratterizzati da motori non reversibili, è necessario implementare il controllo di ammettenza per rendere il robot cedevole. Un sensore di forza/coppia viene montato sulla terminazione del robot e le forze applicate dall'uomo vengono tradotte in movimenti del robot. La principale limitazione di questo tipo di controllo è rappresentata dall'insorgere di instabilità quando il robot interagisce con un ambiente rigido. Questo accade, ad esempio, quando l'operatore afferra il robot irrigidendo il braccio. L'instabilità genera dunque delle oscillazioni, che compromettono la sicurezza dell'operatore. Per ripristinare la stabilità è stato proposto un sistema per individuare le oscillazioni e modificare i parametri del controllo di ammettenza, garantendo la sicurezza del sistema. Una volta che è stata insegnata una traiettoria al robot, può capitare che l'operatore voglia modificarne soltanto una parte. Viene presentato un metodo per modificare online una porzione della traiettoria nella maniera desiderata, applicando manualmente la correzione. Al fine di garantire la sicurezza per l'operatore e rendere la collaborazione più efficiente, è stata aggiunta una parte relativa alla predizione del movimento dell'operatore. In questo modo l'algoritmo di predizione è in grado di determinare se l'operatore si sta muovendo verso il robot o verso un altro oggetto. Nel caso in cui l'operatore non voglia interagire fisicamente con il robot, è necessario evitare la collisione. Delle barriere di sicurezza virtuali sono state costruite attorno ad ogni link del robot. Un algoritmo di ottimizzazione calcola la minima deviazione dal percorso nominale in grado di evitare la collisione. Infine, il progetto europeo ROSSINI rappresenta un esempio concreto di come la collaborazione tra uomo e robot possa essere integrata in ambito industriale. I tre casi d'uso proposti riguardano l'assemblaggio e la movimentazione collaborativa. Uno scheduler a due livelli permette di gestire l'allocazione dei task e l'esecuzione dei task stessi da parte del robot. Il livello più alto utilizza un'ottimizzazione basata su tempi e costi per allocare ogni task all'uomo piuttosto che al robot. Il livello sottostante gestisce invece l'esecuzione dei task paralleli del robot, a seconda del tempo che rimane all'uomo per completare il task in esecuzione.

Verso una collaborazione sicura ed efficiente tra uomo e robot per applicazioni industriali / Chiara Talignani Landi , 2020 Mar 05. 32. ciclo, Anno Accademico 2018/2019.

Verso una collaborazione sicura ed efficiente tra uomo e robot per applicazioni industriali

TALIGNANI LANDI, CHIARA
2020

Abstract

A new paradigm in human-robot collaboration has allowed to place robots nearby human operators, working close to each other in the industrial environment. As a consequence, human safety has become of paramount importance, together with production efficiency. New methods for robot programming can be exploited to simplify the way the trajectory is taught to the robot. In particular, the so-called "walk-through" technique allows to manually guide the robot through the desired trajectory. Since industrial robots are characterize by a stiff and non-backdrivable structure, the admittance control can be implemented to make them compliant. A force-torque sensor is mounted on the robot wrist and human forces can be translated into robot movements. However, the main limitation of admittance control is represented by rising instabilities when the robot interacts with a stiff environment. This can happen, for example, when the user grasps the robot wrist stiffening his/her arm. Instability induces high amplitude oscillations, threatening human operator's safety. To restore stability, a method for detecting rising oscillations and for modifying admittance control parameters have been presented. Once a desired trajectory has been taught to the robot, it is likely that the user needs to change the trajectory in a precise way and with a specific shape. A passivity-based framework to modify the trajectory online has been proposed, to manually drive the robot throughout the desired correction. To properly guarantee human safety and to obtain effective human-robot collaboration, the human prediction has been added to the system. Hence, when the human is working closely to the robot, the prediction algorithm determines whether the human operator is going to approach to the robot, in order to physically interact with it. Otherwise, the system has to properly react to the human movement, by avoiding the collision. For this reason, safety barriers have been built around each robot link and an optimization algorithm minimizes the difference between the nominal acceleration input and the commanded one. Finally, ROSSINI European project represents a concrete example of industrial scenarios where humans and robots work together. This project aims to develop an inherently safe hardware-software platform for the design and deployment of human-robot collaboration applications in manufacturing. Three industrial use-cases have been proposed and they regard assembly, handling and active cooperation. A two-layer scheduler manages task assignment and robot task scheduling. The optimization-based first layer assigns tasks to the human or to the robot, based on durations and costs. Job quality, agent capability, economic effort are some of the metrics used. The second layer, instead, manages robot parallel tasks, depending on the remaining time for the human to complete his/her task.
Towards safe and efficient human-robot collaboration for industrial applications
5-mar-2020
FERRAGUTI, Federica
SECCHI, Cristian
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Descrizione: tesi di dottorato
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11380/1200388
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