Modellazione e fault detection di giochi in robot collaborativi = High-fidelity modeling and backlash detection for collaborative robots

I sistemi di Prognostics and Health Management stanno assumendo crescente importanza in molte applicazioni ingegneristiche, permettendo l’individuazione dei guasti incipienti e la determinazione della vita utile residua dell’entità oggetto di studio. L’implementazione di tale tecnologia nel campo della robotica industriale è fortemente ostacolata dalla limitatezza dei dati storici relativi a robot operanti in condizioni non nominali, necessari per l’allenamento di modelli data-driven sufficientemente accurati. L’obiettivo del presente lavoro di tesi è quello di creare un modello matematico high-fidelity che permetta di simulare l’effetto che fault e failure, di diversa natura ed entità, hanno sul comportamento del robot e di creare i dataset di cui si necessita per il suddetto allenamento. In particolare, lo studio è incentrato sulla modellazione e sull’analisi degli effetti del gioco che si determina nei giunti robotici a causa dell’usura del riduttore. Tale fenomeno comporta errori nel posizionamento del Tool Center Point del manipolatore compromettendo l’esito della mansione assegnata e, nel caso di robotica collaborativa, l’incolumità del personale con cui viene condivisa l’area di lavoro. Al fine di estrarre degli indicatori di salute che permettano di rilevare il gioco nel riduttore, stimandone l’entità, si sono effettuate svariate simulazioni di applicazioni di pick-and-place, in diverse condizioni operative. Per evitare incrementi di costi, complessità del setup, pesi ed ingombri, dovuti all’introduzione di sensori aggiuntivi, le feature analizzate sono ottenute sfruttando esclusivamente i segnali estraibili dal robot. Questa trattazione, pur avendo validità generale, è stata realizzata considerando come caso studio il robot collaborativo UR5, prodotto da Universal Robots, presente all’interno del laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale del Politecnico di Torino. Questo è stato modellato tramite il software MATLAB/Simulink, facendo uso dell’ambiente Simscape Multibody per rappresentarne la dinamica.