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.

Function Design of Mechatronic Systems for Human-Robot Collaboration

BARBAZZA, LUCA
2017

Abstract

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.
30-gen-2017
Inglese
Human-Robot Collaboration, Cable-Driven Robots, functional design, versatility, performance optimization
ROSSI, ALDO
CARACCIOLO, ROBERTO
Università degli studi di Padova
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.14242/92914
Il codice NBN di questa tesi è URN:NBN:IT:UNIPD-92914