Sviluppo di interfaccia gestuale per il controllo di robot collaborativi con l'utilizzo di sensori inerziali. = Development of gestural interface for controlling collaborative robots based on inertial sensors

Con l’avvento di Industria 4.0, i robot si sono diffusi notevolmente nelle aziende, rendendo l'interfacciamento con queste macchine comune per molte figure professionali. Siamo ora all’inizio di una nuova fase che prende il nome di Industria 5.0. Questa mira a ottimizzare i cicli produttivi rafforzando la sinergia tra uomo e robot. L'obiettivo è creare un ambiente di lavoro più sicuro e confortevole affiancando i robot collaborativi (cobot) agli operatori per supportarli durante le attività. Per fare ciò ci si avvale di strumenti quali: intelligenza artificiale, sistemi di visione, sistemi di prossimità e altri sistemi di sensoristica per la percezione della presenza e del movimento degli esseri umani. Ci sono ancora diversi limiti tecnici che ostacolano questi obiettivi. Il metodo di programmazione e interazione con i robot, ad esempio, è spesso contro-intuitivo, e costringe l'utente a operare in un ambiente ottimizzato per la macchina e non viceversa. Questo causa stress cognitivo per l'operatore, con ripercussioni negative su salute, sicurezza, comfort e produttività. Con lo scopo di migliorare l’interfacciamento dell’operatore con i robot, l’obiettivo di questo lavoro di tesi è sviluppare una modalità di comunicazione più user-friendly, che preveda l’interpretazione di schemi motori naturali ed intuitivi con lo scopo di manovrare un robot collaborativo senza l’utilizzo di interfacce di comando esterne, come joystick o tastiere, ma attraverso il riconoscimento dei gesti dell’operatore. L’acquisizione dei movimenti avviene mediante l’utilizzo di sensori inerziali, i quali non richiedono l’integrazione di tecnologie complesse e costose nello spazio di lavoro e garantiscono flessibilità operativa e rapidità di comunicazione con i robot. Particolare attenzione è stata rivolta allo sviluppo di un controllo proporzionale e continuo del robot, per consentire all'operatore maggiore flessibilità nei movimenti della macchina e ampliare le possibilità di utilizzo. La prima parte della tesi si concentra sull’approfondimento delle tecnologie software e hardware già esistenti, con una particolare attenzione alla tipologia di sensore inerziale da utilizzare, andando a confrontare diverse soluzioni al fine di individuare la migliore per lo specifico scopo. Questa ricerca è stata condotta anche attraverso la creazione di un protocollo di test ripetibile, eseguito con braccio cobot, il cui obiettivo è delineare una metodologia di valutazione degli strumenti, implementabile e utilizzabile anche in futuro per testare nuove soluzioni e tecnologie. La seconda parte è stata invece incentrata sullo sviluppo di un dispositivo indossabile composto da due sensori inerziali da posizionare su braccio e avanbraccio, l’obiettivo è consentire all’operatore di controllare il robot senza rinunciare alla flessibilità nei movimenti. Durante la progettazione i supporti indossabili sono stati disegnati con il software di modellazione CAD 3D Solidworks e poi prodotti con tecnologie di stampa 3D. L’implementazione software, invece, è stata eseguita mediante lo sviluppo di un’architettura di controllo in grado di far interagire i sensori con il robot utilizzando il set di librerie software ROS (Robot Operating System). L’ultimo step è stato l’assemblaggio di tutta l’architettura prototipale con successivo test sperimentale in cui i dati delle due IMU sono stati interpretati per controllare orientazione e velocità lineare dell’End-effector del robot, nonché la modalità di utilizzo.