Function Design of Mechatronic Systems for Human-Robot Collaboration

Traditionally, robots have been caged off from human activity but, recently, improvements in advance robotic technology as well as the introduction of new safety standards, have allowed the possibility of collaboration between human workers and robotic systems. The introduction of Human-Robot Collaboration has the potential to increase the quality and the flexibility of the production process while improving the working condition of the operators. However, traditional industrial robots are typically characterized by small payload and small reachable workspace that reduce the range of possible applications. These drawbacks can overcome the advantages related to a collaborative task and make the collaboration not effective. This work aims at analyzing innovative mechatronic solutions capable of increasing the workspace and the versatility of the system with the final goal of creating effective collaborations with humans. Cable driven Parallel Robots (CDPRs) are considered a promising technology able to satisfy these requirements. In fact, compared to rigid serial and parallel robots, they have several advantages such as large workspaces, high payloads per unit of weight, ease of construction, versatility and affordable costs. This work presents two innovative solutions of CDPR able to enlarge the workspace, improve the versatility and reduce the collisions risk. The first solution consists of a cable-suspended parallel robot with a reconfigurable end-effector whereas the second solution is an innovative model of cable-driven micro-macro robot. In the first part of the thesis, the kinematic and dynamic models of these innovative systems are presented and analyzed in order to characterize their capability. Trajectory planning and optimal design are addressed with the purpose of maximizing the performance of the systems. The last part of the thesis deals with the design of a novel family of Intelligent CAble-driven parallel roBOTs whose architecture and control are conceived to maximize the robot versatility to the task to be performed and the environment in which the robot is intended to operate.

La crescente necessitá di far fronte a produzioni industriali caratterizzate da elevata personalizzazione richiede elevata flessibilitá dei sistemi di produzione e assemblaggio. Una delle soluzioni piú interessanti consiste nell’idea di combinare le capacitá manuali di un operatore con le potenzialitá tipiche di sistemi robotici per consentire una collaborazione efficace. Al giorno d’oggi, in ambiente industriale, lo spazio operativo in cui operano sistemi ad elevata automazione é marcatamente separato dallo spazio operativo in cui puó muoversi un operatore umano, tuttavia le recenti normative prevedono la possibilitá che questi due soggetti collaborino all’interno di uno spazio condiviso. Sulla base di un’approfondita ricerca bibliografica, in cui é emerso l’elevato interesse da parte della comunitá scientifica e industriale nelle applicazioni di cooperazione uomo-robot, abbiamo deciso di analizzare il problema della movimentazione di carichi in ampi spazi di lavoro per l’asservimento agli operatori. I robot collaborativi presenti sul mercato sono tipicamente caratterizzati da carichi trasportabili e spazi di lavoro ridotti che ne riducono il potenziale impiego. Tali aspetti possono superare i pregi dovuti alla collaborazione e renderla inefficace. L’obiettivo del progetto é, quindi, lo studio ed il progetto funzionale di sistemi meccatronici innovativi capaci di incrementare lo spazio operativo e la versatilitá del sistema con lo scopo finale di creare una collaborazione uomo-robot efficace. Considerando le grandi aree di lavoro, la possibilitá di operare in ambienti industriali in cui possono essere presenti ostacoli e l’elevato carico utile che potrebbe essere necessario, i robot cavi rappresentano una valida soluzione. Inoltre, la possibilitá di riconfigurare rapidamente il sistema (online oppure offline) e la loro semplicitá costruttiva li rende attraenti anche dal punto di vista economico. Il lavoro svolto durante il percorso di dottorato ha permesso di individuare due soluzioni innovative di robot a cavi capaci di ingrandire lo spazio di lavoro, aumentare la versatilitá le sistema e ridurre i rischi di collisione. La prima soluzione consiste in un robot a cavi sospeso con end-effector riconfigurabile mentre la seconda soluzione é un innovativo modello di Micro-Macro Robot attuato a cavi. Sono stati sviluppati ed analizzati i modelli cinematici e dinamici di questi sistemi con l’obiettivo di caratterizzarne le proprietá. Inoltre, sono stati affrontati i problemi di pianificazione della traiettoria e di ottimizzazione del sistema. Per dimostrare le enormi possibilitá caratterizzanti i robot a cavi, é stato sviluppato un software di progettazione. Tale software é caratterizzato da un simulatore con il quale é possibile configurare rapidamente il layout di un robot a cavi e valutarne le prestazioni in termini di prestazioni cinematiche e dinamiche. Inoltre é possibile simulare movimenti e valutare eventuali collisioni con gli ostacoli presenti nell’ambiente operativo. Il simulatore é stato realizzato con lo scopo di sviluppare una nuova famiglia di robot a cavi intelligenti (ICABOT, Intelligent CAble RoBOT) la cui architettura é concepita per massimizzare la versatilitá del sistema rispetto al compito da esguire e all’ambiente in cui deve operare. Un prototipo in ICABOT é stato sviluppato presso il laboratorio di Robotica dell’Universitá di Padova. Tale prototipo é costituito da componenti meccanici modulari e da un’architettura di controllo EtherCAT basata sulle piattaforme Matlab e Twincat 3.