Strategie di Comunicazione Proattive per Migliorare Sicurezza e Efficienza durante la Collaborazione Uomo-Robot

The advancement of technology has significantly increased the presence of automated systems in modern society, leading to the development of new robotic systems that enable easier and safer integration across various sectors. Collaborative robots, or cobots, are designed to work in shared environments alongside humans, offering greater flexibility, adaptability, and operational efficiency compared to traditional robotic systems. Despite their growing adoption, particularly by small and medium-sized enterprises, collaborative robotics still face several challenges that limit their full potential. Two of the most critical issues in this context are communication and safety, both of which are essential for achieving optimal human-robot collaboration (HRC). Communication is fundamental when working closely with human operators, as it facilitates cooperation in completing assigned tasks. A simple and natural communication system that emulates human-human collaboration (HHC) promotes the integration of cobots within teams, improving interaction quality, trust, and reducing stress when working alongside robots. Safety is another crucial aspect in HRC, particularly in environments where humans and robots operate in close proximity without physical barriers. It is mandatory that robots comply with ISO regulations, which ensure the worker's safety to prevent and mitigate potential harm or injuries. Traditional safety approaches often impose strict constraints, such as stopping or slowing down the robot when a human enters the workspace to avoid collisions or limiting the energy exchange during a contact. While these methods effectively prevent accidents, they can also reduce overall efficiency. This thesis explores the integration of safety and communication, focusing on how to create a communication system that is both simple and natural, while also capable of addressing or preventing problems or slowdowns by incorporating safety discussions into proactive conversations with the operator. To achieve this, various communication channels, particularly voice and gestures, were explored, leading to the development of a multimodal communication architecture. This architecture enables bidirectional information exchange between humans and robots, aiming to replicate the conversational structure of human-human interactions. It allows robots not only to execute commands but also to provide feedback and suggest alternative solutions. By using real-time simulations of a robot model within a virtual environment, potential slowdowns caused by safety concerns can be predicted. This allows the system to use communication to anticipate such issues and propose alternative solutions, ensuring safety without compromising efficiency. The proposed communication systems were tested and validated in various case studies, demonstrating how a well-designed bidirectional communication framework can enhance both collaboration and safety. The results show that with effective communication strategies, robots can anticipate potential problems and offer alternative solutions, leading to more efficient and safer operations in shared environments. This work contributes to the ongoing development of collaborative robotics, bringing them closer to matching the performance of traditional automated systems while ensuring the safety of human workers.

L'avanzamento della tecnologia ha aumentato significativamente la presenza di sistemi automatizzati nella società moderna, portando allo sviluppo di nuovi sistemi robotici che consentono un'integrazione più semplice e sicura in vari settori. I robot collaborativi, o cobot, sono progettati per lavorare in ambienti condivisi insieme agli esseri umani, offrendo maggiore flessibilità, adattabilità ed efficienza operativa rispetto ai sistemi robotici tradizionali. Nonostante la loro crescente diffusione, in particolare tra le piccole e medie imprese, la robotica collaborativa deve ancora affrontare diverse sfide che ne limitano il pieno potenziale. Due degli aspetti più critici in questo contesto sono la comunicazione e la sicurezza, entrambi essenziali per ottenere una collaborazione ottimale tra uomo-robot (HRC). La comunicazione è fondamentale quando si lavora a stretto contatto con un operatore, in quanto facilita la cooperazione nel completamento dei compiti assegnati. Un sistema di comunicazione semplice e naturale che emuli la collaborazione tra esseri umani (HHC) favorisce l'integrazione dei cobot all'interno dei team, migliorando la qualità dell'interazione, la fiducia e riducendo lo stress nel lavorare accanto ai robot. La sicurezza è un altro aspetto cruciale nella HRC, in particolare negli ambienti in cui esseri umani e robot operano in stretta prossimità senza barriere fisiche. È obbligatorio che i robot rispettino le normative ISO, che garantiscono la sicurezza dei lavoratori per prevenire e mitigare possibili danni o infortuni. Gli approcci tradizionali alla sicurezza spesso impongono restrizioni severe, come fermare o rallentare il robot quando un essere umano entra nello spazio di lavoro per evitare collisioni o limitare lo scambio di energia durante un contatto. Sebbene questi metodi prevengano efficacemente gli incidenti, possono anche ridurre l'efficienza complessiva. Questa tesi esplora l'integrazione tra sicurezza e comunicazione, concentrandosi su come creare un sistema di comunicazione che sia allo stesso tempo semplice e naturale, ma anche capace di affrontare o prevenire problemi o rallentamenti, incorporando discussioni sulla sicurezza all'interno di conversazioni preventive con l'operatore. Per raggiungere questo obiettivo, sono stati esplorati diversi canali di comunicazione, in particolare voce e gesti, portando allo sviluppo di un'architettura di comunicazione multimodale. Questa architettura consente uno scambio bidirezionale di informazioni tra esseri umani e robot, con l'obiettivo di replicare la struttura conversativa delle interazioni tra esseri umani. Ciò permette ai robot non solo di eseguire comandi, ma anche di fornire feedback e proporre soluzioni alternative. Utilizzando simulazioni in tempo reale di un modello di robot in un ambiente virtuale, è possibile prevedere potenziali rallentamenti causati da preoccupazioni legate alla sicurezza. Questo consente al sistema di utilizzare la comunicazione per anticipare tali problemi e proporre soluzioni alternative, garantendo la sicurezza senza compromettere l'efficienza. I sistemi di comunicazione proposti sono stati testati e validati in vari casi di studio, dimostrando come un quadro di comunicazione bidirezionale ben progettato possa migliorare sia la collaborazione che la sicurezza. I risultati mostrano che, con strategie di comunicazione efficaci, i robot possono anticipare problemi e offrire soluzioni alternative, portando a operazioni più efficienti e sicure in ambienti condivisi. Questo lavoro contribuisce allo sviluppo continuo della robotica collaborativa, avvicinandola sempre di più a eguagliare le prestazioni dei sistemi automatizzati tradizionali, garantendo al contempo la sicurezza dei lavoratori.