Optimization of Complex Robotic Tasks for Smart Manufacturing Applications

Traditionally, the robots used in the industry field are made up of 6 links, so they can provide 6 degrees of freedom (DOF) in space. However, some particular applications or particular robot structures can provide additional degrees of freedom, thus creating a so-called "redundant task" or "redundant robot". Due to the structure of the robot, having 7 (or more) degrees of freedom results in a non-unique definition of the configuration of the robot: by choosing the values of the redundant axis angles, the robot is always able, within the working space, to satisfy the requested final position. This feature can greatly increase the flexibility of the robot because can be used to avoid obstacles that could not be avoided with a traditional 6-axis serial robot. Moreover, taking advantage of the redundancy it is possible to avoid the singularities of the structure, thus improving motor consumption, movement times and transmitted forces. The reduced forces introduce a novel topic in robotics that has become more and more important in the last years: Human-Robot Collaboration. Due to safety reasons, the speed and the contact forces that the robot can apply have to be limited. Moreover, the introduction of the operator within the workspace leads to an uncertainty of the obstacles placed in the workspace that the robot has to avoid. All these aspects can be managed with a redundant robot, and that's why most of the new collaborative robot arms are made by 7 or more joints. The redundancy can be obtained also with passive tools: in specific tasks, such as welding, grinding and spraying, the same result can be obtained by rotating the robot structure around a specific axis, usually normal to the workpiece surface. Speaking about grinding, the redundant axis is coincident with the spindle axis: the grinder is circular, so every contact position around the grinder wheel circumference is suitable for the grinding process. This work aims at providing a set of tools that can plan trajectories, avoid obstacles, schedule tasks and improve grinding finishing. The inspiration of this work relies on a real-world application: the robotic grinding. Even if most of the industry uses dedicated grinding machines, the flexibility of the robots makes them perfect to increase the flexibility of the machining process. However, the stiffness of the robot's structure is usually lower than the one of a dedicated machine, thus providing a worse finishing with the same cycle time. In the first part of the thesis, a set of optimization tools are designed to find the optimal path that can move a redundant robot from one position to another without colliding the environment. This optimization takes into account the redundancy of the structure. Moreover, an optimal task allocation algorithm is presented. To complete the dissertation, in the Appendix a novel collision detection algorithm is explained. The second part focuses on a dynamic analysis of a robot: firstly, a modal study on a real six-axis serial robot has been performed; secondly, a comparison between a redundant under-actuated robot and a dynamically equivalent fully-actuated robot is illustrated.

I robot utilizzati nell'ambito industriale sono prevalentemente composti da 6 elementi mobili, chiamati links, e dunque possono fornire 6 gradi di libertà (GDL, DOF in inglese) nello spazio. Esistono però applicazioni e robot particolari che possono fornire gradi di libertà aggiuntivi, creando un cosiddetto "task ridondante" o "robot ridondante". A causa della struttura del robot, la presenza di 7 (o più) gradi di libertà porta ad avere infinite configurazioni robotiche in grado di soddisfare la posizione finale: per farlo, è necessario solamente scegliere il valore delle rotazioni attorno agli assi ridondanti. Grazie a questa funzionalità è possibile aumentare la flessibilità dei robot, in quanto cambiando la configurazione il robot potrebbe essere in grado di evitare gli ostacoli. Inoltre, si può usare la ridondanza per evitare configurazioni singolari, migliorando quindi il consumo energetico dei motori, i tempi di movimento e le forze trasmesse dal robot. La riduzione delle forze permette di introdurre un argomento che sta diventando sempre più popolare negli ultimi anni: la collaborazione uomo-robot. Per ragioni di sicurezza, la velocità e le forze di contatto che il robot può imprimere devono essere limitate. Per di più, l'introduzione del fattore umano all'interno della cella di lavoro porta ad un posizionamento incerto degli ostacoli nello spazio che il robot dev'essere in grado di evitare. Tutti questi aspetti possono quindi essere risolti utilizzando un robot ridondante, ed è per questo che la maggior parte dei robot collaborativi in commercio è dotato di 7 (o più) giunti. Anche un robot a 6 gradi di libertà può essere ridondante: in particolari applicazioni, come la saldatura e la sbavatura, la stessa operazione può essere eseguita ruotando attorno uno specifico asse, solitamente normale alla superficie del pezzo. La base della ridondanza è data dunque dall'end effector passivo. Parlando nello specifico della sbavatura robotizzata, l'asse ridondante ècoincidente con l'asse del mandrino: la mola utilizzata nella lavorazione è circolare, quindi ogni punto attorno alla circonferenza può essere utilizzato come punto di contatto. Questa tesi vuole fornire degli strumenti in grado di pianificare traiettorie, evitare ostacoli, definire una sequenza di operazioni e migliorare la finitura della sbavatura robotizzata. L'ispirazione deriva proprio dalla sbavatura robotizzata, per la quale la maggior parte delle applicazioni industriali si basa su macchine di sbavatura dedicate. Il robot, in un contesto come questo, sarebbe perfetto per migliorare la flessibilità del processo. Purtroppo, la rigidezza della struttura del robot è decisamente inferiore a quella di una macchina dedicata, risultando in una finitura superficiale peggiore con lo stesso tempo ciclo. Nella prima parte della tesi vengono presentati alcuni strumenti di ottimizzazione in grado di trovare il percorso ottimale che nuove un robot ridondante tra due posizioni senza collidere con l'ambiente. La ridondanza della struttura viene presa in considerazione per la definizione del movimento. Per di più, viene presentato anche un algoritmo di allocazione del task basato sul famoso Traveling Salesman Problem. Per completare il progetto, nell'Appendice un nuovo algoritmo di collision detection è stato spiegato. Nella seconda parte della tesi viene analizzata la risposta dinamica del robot: inizialmente è stato condotto uno studio modale su un robot a 6 assi presente nel Laboratorio di Robotica dell'Università di Padova; successivamente, è stata condotta una comparazione dinamica tra un robot sotto-attuato e un manipolatore completamente attuato dinamicamente equivalente.