An analytical approach to safe collaborative assembly station with cobots

Montazer Zohour, Hamed (2022). An analytical approach to safe collaborative assembly station with cobots. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Robotics is an interdisciplinary science encompassing vast fields of research: vision, motion planning, control, locomotion, design, and so on. The objective of the creation of robots in the early sixties was to relieve man of certain hard jobs such as: handling a heavy object, and repetitive tasks often tiring or even sometimes infeasible manually. Following this situation, several kinds of manipulators were created . Historically, the manipulator arms were the first manufactured and still are widely used in industry. These robotic systems have the ability to act on the environment through the realization of manipulation tasks such as the grasping of objects, the assembly of pieces, etc. They are nevertheless very limited in their operational workspace and in the type of work they can achieve.

New applications where robots are employed near humans are growing rapidly. Unlike industrial robots, which are used in cages to guarantee high precision and safety, collaborative robots, also called Cobots, are designed with a high degree of compliance to ensure safety in presence of humans.

Several industrial pick-and-place applications, such as collaborative assembly lines, rely on visual tracking of the parts. Recurrent occlusions caused by the manipulator motion decrease line productivity and can provoke failures. This work provides a complete solution for maintaining an occlusion-free line of sight between a variable-pose camera and the object to be picked by a 6R manipulator that is not wrist-partitioned. We consider potential occlusions by the manipulator as well as the operator working at the assembly station. An actuated camera detects the object goal (part to pick) and keeps track of the operator. The approach consists in using the complete set of solutions obtained from the derivation of the univariate polynomial equation solution to the inverse kinematics (IK). Compared to numerical iterative solving methods, our strategy grants us with a set of joint positions (posture) for each root of the equation from which we extract the best (minimizing the risks of occlusion). Our analytical-based method, integrating collision and occlusion avoidance optimizations, can contribute to greatly enhancing efficiency and safety of collaborative assembly workstations.

Titre traduit

Une approche analytique d’un poste d’assemblage collaboratif sécurisé avec des cobots

Résumé traduit

La robotique est une science interdisciplinaire englobant de vastes domaines de recherche : vision, planification du mouvement, contrôle, locomotion, design, etc. L’objectif de la création des robots au début des années soixante était de soulager l’homme de certains travaux pénibles tels que : la manipulation d’un objet lourd, et des tâches répétitives souvent fatigantes voire parfois irréalisables manuellement. Suite à cette situation, plusieurs sortes de manipulateurs ont été créés. Historiquement, les bras manipulateurs ont été les premiers fabriqués et sont encore largement utilisés dans l’industrie. Ces systèmes robotisés ont la capacité d’agir sur l’environnement par la réalisation de tâches de manipulation telles que la préhension d’objets, l’assemblage de pièces, etc. Ils sont néanmoins très limités dans leur espace de travail opérationnel et dans le type de travail qu’ils peuvent réaliser.

De nouvelles applications où les robots sont employés à proximité des humains se développent rapidement. Contrairement aux robots industriels, qui sont utilisés dans des cages pour garantir une grande précision et sécurité, les robots collaboratifs, également appelés Cobots, sont conçus avec un haut degré de conformité pour assurer la sécurité en présence de l’homme.

Plusieurs applications industrielles de pick-and-place, telles que les chaînes de montage collaboratives, reposent sur le suivi visuel des pièces. Les occlusions récurrentes causées par le mouvement du manipulateur diminuent la productivité de la ligne et peuvent provoquer des pannes. Ce travail fournit une solution complète pour maintenir une ligne de visée sans occlusion entre une caméra à pose variable et l’objet à saisir par un manipulateur 6R non cloisonné au poignet. Nous considérons les occlusions potentielles par le manipulateur ainsi que par l’opérateur travaillant au poste d’assemblage. Une caméra actionnée détecte l’objectif de l’objet (pièce à prélever) et suit l’opérateur. L’approche consiste à utiliser l’ensemble complet des solutions obtenues à partir de la dérivation de la solution de l’équation polynomiale univariée à la cinématique inverse (IK). Par rapport aux méthodes de résolution itérative numérique, notre stratégie nous accorde un ensemble de positions articulaires (posture) pour chaque racine de l’équation dont nous extrayons le meilleur (minimisant les risques d’occlusion). Notre méthode analytique, intégrant des optimisations d’évitement de collision et d’occlusion, peut contribuer à améliorer considérablement l’efficacité et la sécurité des postes de travail d’assemblage collaboratifs.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 53-59).
Mots-clés libres:	robotique, cinématique, tâches collaboratives, minimisation de l’occlusion
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse St-Onge, David
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	10 févr. 2023 16:00
Dernière modification:	10 févr. 2023 16:00
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3166

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