Metodi di verifica del contatto transitorio per migliorare la sicurezza dell’interazione uomo-robot

The rise of human-robot collaboration (HRC) has revolutionised industrial, medical and domestic environments, where humans and robots increasingly share workspaces and tasks. As robots transition from isolated industrial setups to collaborative spaces, it is necessary to re-evaluate safety and interaction paradigms, particularly ensuring seamless and safe physical human-robot interaction (pHRI). In the current research field, several methods exist to ensure human safety, such as contact avoidance, robot inherently-safety designs and function improvements, use of protective skins, etc. However, the primary focus of this thesis is to investigate how safety can be ensured when there is physical contact between humans and robots. Understanding the dynamics of physical contact is crucial for both operational safety and optimal human-robot synergy (HRS). Physical interactions between humans and robots can occur in various scenarios, from intended cooperative tasks to unintended collisions. These interactions involve complex dynamics influenced by the nature of the contact—quasi-static or transient—and the physical properties of both the human body and robotic mechanisms. Existing safety guidelines, such as the technical specification ISO/TS 15066:2016, which is now integrated into the ISO 10218-2:2025 standard, provide general guidelines but often fail to address the nuanced dynamics of transient impacts or the variability in human physiological responses or the influence in robot configurations. This gap highlights the need for improving contact modelling techniques and empirical studies to bridge the divide between safety standards and real-world applications. This dissertation identifies existing gaps in the state of the art in transient contact testing and addresses these challenges by enhancing experimental frameworks. After investigating the state of the art in pHRI safety assessment, this research focuses on modelling dynamic impacts during human-robot collisions. An experimental setup utilising a customisable pendulum apparatus was developed to replicate transient contact scenarios. The contributions include providing a methodology to calculate the equivalent mass of the robot at the contact point, the characterisation of biofidelic sensor use for collision testing, and an approach for viscoelastic modelling of damping material used to replicate human soft tissue. The research leverages not only theoretical frameworks and experimental studies but also provides novel insights into biofidelic impactor design for testing transient impacts, aiming to facilitate the safe and efficient integration of robots into collaborative environments.

La diffusione della robotica collaborativa, in cui uomini e robot condividono sempre più lo spazio di lavoro e i compiti, ha rivoluzionato non solo gli ambienti industriali, ma anche quelli medici e domestici. Man mano che i robot si spostano da isole stand-alone a spazi collaborativi, è necessario rivalutare le modalità di interazione sicura, in particolare garantendo un'interazione fisica uomo-robot (pHRI) facile e sicura. Attualmente, esistono diversi approcci volti a garantire la sicurezza umana, come la pianificazione real-time di traiettorie che evitano il contatto, sensori di forza e pressione ai giunti, uso di pelli protettive, ecc. L'obiettivo principale di questa tesi è indagare come garantire la sicurezza in caso di contatto fisico tra persona e robot. Comprendere le dinamiche del contatto fisico è cruciale per garantire sia la sicurezza operativa che la collaborazione sinergica ottimale uomo-robot (HRS). Le interazioni fisiche tra uomini e robot possono verificarsi in vari scenari, a partire dai compiti cooperativi intenzionali alle collisioni involontarie. Queste interazioni coinvolgono dinamiche complesse influenzate dalla natura del contatto—quasi-statico o transitorio—e dalle proprietà fisiche sia del corpo umano che dei meccanismi robotici. I regolamenti e le normative tecniche esistenti, come la specifica tecnica ISO/TS 15066:2016, ora integrata nello standard ISO 10218-2:2025, forniscono linee guida generali sulla sicurezza ma non sempre riescono ad trattare in maniera esaustiva le dinamiche complesse dovute ai transitori di impatto, alla variabilità delle risposte fisiologiche umane e all'influenza della configurazione del robot all’impatto. Questa lacuna evidenzia la necessità di migliorare le tecniche di modellazione e del contatto e relativa validazione sperimentale, per colmare il divario tra gli standard di sicurezza e le applicazioni reali. Questa tesi identifica le lacune esistenti nello stato dell'arte per quanto riguarda i test di contatto transitorio e propone nuove procedure di validazione sperimentale. Dopo aver indagato lo stato dell'arte nella valutazione della sicurezza pHRI, questa ricerca si concentra sulla modellazione degli impatti dinamici durante le collisioni uomo-robot. È stato sviluppato un set-up sperimentale che utilizza un apparato a pendolo modulare e scalabile per replicare scenari di contatto transitorio. I contributi del lavoro includono lo sviluppo di una metodologia per calcolare la massa equivalente del robot al punto di contatto, la caratterizzazione e l'uso di sensori ‘biofidelici’ per i test di collisione e un approccio per la modellazione viscoelastica del materiale di smorzamento utilizzato per replicare il tessuto molle umano. La ricerca sfrutta non solo i framework teorici e gli studi sperimentali, ma fornisce anche indicazioni operative per la progettazione di sensori ‘biofidelici’ per i test di impatti transitori, con l'obiettivo di facilitare l'integrazione sicura ed efficiente dei robot negli ambienti collaborativi.