Riassunto analitico
Il diffuso interesse per la coesistenza e la collaborazione tra uomini e macchine, tendente a fondere l’eccellente capacità cognitiva umana con la precisione e la potenza dei robot per l’esecuzione di compiti complessi, implica la necessità che la cooperazione fisica tra le due entità sia stabile e sicura. Questo garantisce la salute psicofisica dell’operatore e, in secondo luogo, la riduzione ai minimi termini dei rischi di danneggiamento dell’ambiente, del robot, o di quanto da esso manipolato.
A supporto della crescente diffusione e dello sviluppo di questi approcci collaborativi al lavoro, la specifica tecnica ISO/TS 15066, in congiunzione con ISO 10218-1 e ISO 10218-2, ha finora fornito le principali linee guida all’implementazione pratica di suddette attività. La normativa definisce infatti valori di riferimento come limiti biomeccanici dell’operatore e quattro diverse tipologie di operazioni collaborative, tra le quali figurano il monitoraggio della velocità relativa e della distanza di separazione e la limitazione della forza e della potenza a valori per i quali non si incorre in rischi di infortunio.
Dovendo pertanto sviluppare, nella pratica industriale, algoritmi di controllo dei robot che rispettino tali vincoli e traendo vantaggio dal noto fatto che tutti i sistemi interagiscono per mezzo di uno scambio di potenza o di energia, si è assistito recentemente alla definizione di leggi di controllo energy-based che osservano e vincolano il fluire dell’energia. Queste tecniche mirano a descrivere la stabilità del sistema dinamico controllato in termini della proprietà di passività e, nel caso sfruttino il formalismo port-Hamiltonian, a plasmare l’energia totale mediante azioni sulla potenza che scorre attraverso definite porte di interazione.
Innestandosi su queste premesse, il presente elaborato propone una metodologia di movimentazione del robot basato sul controllo e sulla previsione del flusso di energia e sull’analisi della severità di un potenziale urto con un operatore sfruttando l’informazione sul moto dell’uomo. In particolare, si presenta una serie di vincoli sull’erogazione della potenza da parte del robot che hanno l’obiettivo di modificare l’esecuzione del compito ad esso demandato (per l’espletamento di un’azione di frenata nella fase antecedente una collisione) soltanto quando vi è un effettivo rischio di infortunio per l’uomo, senza peraltro incorrere in comportamenti eccessivamente cautelativi che si tradurrebbero in movimenti lenti ed in una collaborazione praticamente improduttiva.
L’approccio di controllo proposto è stato infine validato in simulazione con l’ausilio di un manipolatore seriale KUKA LWR4+. L’architettura sviluppata mostra che, senza evitare il contatto fisico tra uomo e robot, sono permessi l’esecuzione del compito in maniera efficiente quando ciò non è in conflitto coi vincoli di sicurezza imposti dalla normativa. Nel caso in cui sia invece necessario mitigare gli effetti di una potenziale collisione, si effettua un rallentamento, così da mantenere compatibile il comportamento del robot con quanto richiesto da normativa.
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