New Programming Techniques to Enable and Simplify the Integration of Collaborative Robots in Industrial Environment

Historically, robots have focused on high volume and highly repetitive tasks, exploiting their precision for those tasks that were boring and/or difficult for humans. But there is a big number of repetitive tasks which is still done by operators, which standard industrial robots are not able to do, due to their lack of flexibility and adaptation to new and different contexts. The robot industry is now changing through the introduction of collaborative robots, which are more flexible respect to traditional industrial robots and can work alongside with human operators. This complementarity between industrial robots and collaborative robots opens many new possibilities both in industrial context and in new fields like service robotics. Moreover, with the coming of Industry 4.0 and Cyber-Physical Systems, the need of having flexible and reconfigurable systems is increasing. To increase the flexibility of industrial robots (collaborative or not) it is needed to develop open source software for robotics programming, to enhance the flexibility and interchangeability of robots. The contribution of this Ph.D. thesis is an analysis of the current state of collaborative robotics, including safety aspects. In addition, this work provides tools that simplify the task of robot programming, making it time-saving and user-friendly, so that no particular knowledge in robotics is required to achieve that. In particular the work is focused on finding sound solutions that can fit the needs of industrial contest. Thus, this work proposes innovative methods, validated through experimental results and proposing realistic usecases, to improve and simplify the robot programming, so to make robots more flexible and well-suited to new needs of Industry 4.0.

Storicamente, i robot si sono concentrati sui compiti altamente ripetitivi e con grandi volumi, sfruttando la loro precisione per i compiti che erano noiosi e/o difficili per gli esseri umani. Ma vi è un gran numero di operazioni ripetitive che è ancora eseguito da operatori, che i classici robot industriali non sono in grado di fare, a causa della loro mancanza di flessibilità e di adattamento a contesti nuovi e diversi. L'industria robotica sta cambiando attraverso l'introduzione dei robot collaborativi, che sono più flessibili rispetto ai classici robot industriali e possono lavorare insieme con operatori umani. Questa complementarità tra i robot industriali e robot collaborativi apre molte nuove possibilità, sia in ambito industriale, sia in nuovi campi come la robotica di servizio. Inoltre, con l'avvento dell’industria 4.0 e Cyber-Physical Systems, la necessità di disporre di sistemi flessibili e riconfigurabili è in aumento. Per aumentare la flessibilità dei robot industriali (collaborativi o meno) è necessario sviluppare software open source per la programmazione dei robot, in modo da migliorare la flessibilità e l’intercambiabilità dei robot. Il contributo di questa tesi di dottorato è un’analisi dello stato attuale della robotica collaborativa, compresi gli aspetti di sicurezza. Inoltre questo lavoro fornisce strumenti che semplificano la programmazione dei robot, rendendola più rapida, semplice e user-friendly, in modo tale che nessuna conoscenza particolare di robotica sia necessaria per questo scopo. In particolare il lavoro è incentrato sul trovare soluzioni valide e adeguate alle necessità del settore industriale, proponendoquindi metodi innovativi, convalidati attraverso dei risultati sperimentali e proponendo use-case realistici, per migliorare e semplificare la programmazione dei robot, rendendo questi ultimi più flessibili e adatti alle nuove esigenze dell’industria 4.0.