Riassunto analitico
La robotica collaborativa, ovvero la branca della robotica che studia i sistemi robotici pensati per lavorare in cooperazione con l'operatore e condividendo con esso lo spazio di lavoro è, ad oggi, un campo che va affermandosi in diverse applicazioni industriali.
Un robot, collaborativo o meno, è in grado di portare a termine una task primaria assegnatagli se possiede un numero di gradi di libertà sufficiente rispetto a quelli richiesti dalla task stessa. É tuttavia possibile, nel caso in cui questi gradi di libertà siano superiori a quelli strettamente necessari, andare a portare a termine la suddetta task primaria in concomitanza allo svolgimento di ulteriori task secondarie. Tipicamente queste task secondarie, nei robot collaborativi, comprendono features di sicurezza come il rispetto dei joint limits, la limitazione del workspace o l'allontanamento dalle configurazioni di singolarità.
Il lavoro di tirocinio, illustrato nel seguente elaborato, nasce dalla necessità di andare a massimizzare la manipolabilità, sfruttando la ridondanza cinematica, in un sistema robotico collaborativo composto da un manipolatore seriale e da una base mobile. La massimizzazione della manipolabilità, cioè l'allontanamento dalle configurazioni di singolarità, avviene andando a impostare il problema generale della cinematica inversa come un problema di ottimizzazione e andando a massimizzare un parametro che prende il nome di "indice di manipolabilità".
Successivamente sono state studiate ed implementate delle Control Barrier Functions (CBFs), cioè particolari funzioni che permettono di introdurre dei vincoli nel problema di ottimizzazione mantenendolo computazionalmente semplice e idoneo ad applicazioni hard real-time. Le CBFs sono state utilizzate per implementare task secondarie, tra queste si ha il rispetto dei limiti di giunto, il mantenimento dell'end-effector ad un'altezza di sicurezza ed infine il mantenimento di una configurazione desiderata.
Successivamente si sono testati gli algoritmi sviluppati sul prototipo reale del sistema robotico, è stato quindi possibile verificare che il comportamento fosse concorde con quanto visto in simulazione e quindi validare il controllo.
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Abstract
Collaborative robotics, or the branch of robotics that studies robotic systems designed to work in cooperation with the operator and sharing the workspace with him, is, to date, a field that is establishing itself in various industrial applications.
A robot, collaborative or not, is able to complete a primary task assigned if it has a sufficient number of degrees of freedom compared to those required by the task itself. However, if these degrees of freedom are higher than those strictly necessary, it is possible to complete the aforementioned primary task in conjunction with the performance of further secondary tasks. Typically these secondary tasks, in collaborative robots, include security features such as compliance with joint limits, workspace limitation or removal from singularity configurations.
The internship, illustrated in the following paper, arises from the need to maximize manipulability, exploiting kinematic redundancy, in a collaborative robotic system consisting of a serial manipulator and a mobile base. The maximization of manipulability, that is the removal from singularity configurations, occurs by setting the general problem of inverse kinematics as an optimization problem and by maximizing a parameter that takes the name of "manipulability index".
Subsequently, Control Barrier Functions (CBFs) were studied and implemented, that is particular functions that allow to introduce constraints in the optimization problem, keeping it computationally simple and suitable for hard real-time applications. The CBFs have been used to implement secondary tasks, among these there is the respect of the joint limits, the maintenance of the end-effector at a safety height and finally the maintenance of a desired configuration.
Subsequently, the algorithms developed on the real prototype of the robotic system were tested, it was therefore possible to verify that the behavior was in agreement with what was seen in the simulation and then validate the control.
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