Metodi di Ottimizzazione per il Progetto, il Controllo e la Gestione di una Linea Multirobot per la Manipolazione di Input Stocastici

Within industrial automation solutions, robotic devices perform tasks that require functional flexibility, reprogrammability and reconfigurability. The continuous development of algorithms, sensors and computing power contributes to the diffusion of robots also outside of their usual fields of application, towards the execution of tasks that were previously reserved to human beings due to their unpredictable or dynamic character. Since the use of a single robot can be insufficient for the achievement of the desired functionalities or performances, the development of multirobot solutions in which several manipulators cooperate towards a common goal has received in recent years considerable attention. These systems are promising in terms of productivity and scalability; however their deployment requires the management of plants of ever-increasing complexity, whose properties are scarcely predictable using traditional design techniques. These properties emerge indeed from the interactions of multiple complex systems, the robots, whose capabilities are determined jointly by their construction, by the adopted control techniques, and by the algorithms used for scheduling and task assignment. The design of multirobot systems and their algorithms of management and control are mutually dependent and weakly influenced by design constraints due to the high functional flexibility that characterizes both the single manipulator and the entire plant. As a result several analysis and optimization techniques, based both on analytical models and on numerical simulations, are helpful not only for guiding the design, but also for the definition of management strategies for the multirobot system. In this dissertation these themes are explored in relation to a specific type of multirobot plant, that should perform pick and place operations commonly needed in light manufacturing for packaging of products or the assembly of components, with a particular focus on cases characterized by stochastic input flows. Several types of suitable parallel kinematic robot architectures are first discussed. In addition to the kinematic and dynamic analysis of the robots, the solutions to other mechanical design issues such as the determination of the useful workspace in relation to the actual volumes of the robot's components and the analysis of the effects of compliant mechanical transmissions are presented. Given the fundamental roles of actuation and transmission systems, a procedure for their optimal selection in relation both to the mechanical structure of the robot and its intended tasks is subsequently described. Optimization techniques for geometric motion planning and motion law optimization are then discussed; artificial intelligence techniques are moreover used to map the actual execution times of the elementary tasks assigned to the robots, with the overall goal of developing throughput-maximizing scheduling algorithms. Different advanced control techniques are subsequently presented and experimentally compared. Finally the simulation strategy for the multirobot plant is presented together with its application for the development of real-time plant management algorithms.

All'interno di soluzioni di automazione industriale, i dispositivi robotici asservono compiti che richiedono flessibilità funzionale, riprogrammabilità e riconfigurabilità. Il sostenuto sviluppo di algoritmi, sensori e capacità di calcolo ha ulteriormente contribuito alla diffusione di robot anche al di fuori dei loro ambiti di applicazione più usuali, per l'esecuzione di mansioni precedentemente riservate a esseri umani a causa delle loro caratteristiche di imprevedibilità e dinamicità. Poiché l'utilizzo di un singolo robot può risultare comunque insufficiente all'espletamento delle funzionalità o al raggiungimento delle prestazioni desiderate, lo sviluppo di soluzioni multirobot in cui più manipolatori collaborano per il raggiungimento di un comune obiettivo ha ricevuto in anni recenti un forte impulso. Sistemi di questo tipo risultano promettenti in termini di produttività e scalabilità; tuttavia la loro introduzione richiede la gestione di impianti sempre più complessi, le cui proprietà sono difficilmente prevedibili utilizzando tecniche di design tradizionali. Tali proprietà emergono infatti dall'interazione di molteplici sistemi complessi quali i manipolatori industriali, il cui profilo operativo è determinato congiuntamente dai loro elementi costruttivi, dalle tecniche di controllo utilizzate, e dalla qualità degli algoritmi dedicati alla definizione dei compiti loro assegnati. Il progetto di tali sistemi, nonché le loro logiche di controllo e di utilizzo risultano perciò da un lato interdipendenti tra loro e dall'altro poco guidate da vincoli di design, proprio in virtù della grande flessibilità funzionale che caratterizza sia i singoli manipolatori sia l'intero impianto multirobot. Proprio per questo varie tecniche di analisi e di ottimizzazione, basate sia su modelli matematici che su simulazioni numeriche, possono offrire un rilevante supporto non solo per il progetto, ma anche per la definizione di strategie di gestione dei sistemi multirobot. In questo lavoro si esplorano tali temi in relazione a uno specifica tipologia di impianto, dedicato in particolare alle operazioni di pick and place che comunemente avvengono in contesti di manifattura leggera per il confezionamento di prodotti finiti o per l'assemblaggio di componenti, con particolare attenzione ai casi caratterizzati da flussi di input non deterministici. Sono inizialmente discusse diverse tipologie di robot a cinematica parallela adatti all'esecuzione di manipolazioni ad alta dinamica. Oltre all'analisi cinematica e dinamica dei robot, vengono delineate soluzioni ad altri problemi legati al progetto meccanico quali la determinazione del workspace utile stanti gli effettivi ingombri dei vari organi che compongono il robot e il design di trasmissioni. Visto il ruolo fondamentale di azionamenti e trasmissioni, viene poi discussa una procedura per la loro selezione ottima in relazione non solo alla struttura meccanica del robot ma anche ai compiti che questo dovrà eseguire. Successivamente sono presentate tecniche di ottimizzazione per la pianificazione geometrica di traiettorie e per l'ottimizzazione della loro legge di percorrenza. Tecniche di intelligenza artificiale vengono poi utilizzate per la mappatura degli effettivi tempi di esecuzione dei compiti elementari assegnati al robot, nell'ottica di sviluppo di strategie di schedulazione e assegnazione dei task volte a massimizzare il throughput del manipolatore. Varie architetture di sistemi di controllo centralizzato sono ulteriormente descritte e confrontate tramite un'indagine sperimentale. Da ultimo la strategia di simulazione dell'impianto multirobot viene presentata assieme al suo utilizzo per lo sviluppo di algoritmi real time di gestione dell'intero impianto.