Multimodal human-robot interaction strategies in human-robot collaborative tasks

Collaborative robots, or cobots, have emerged as a transformative solution to address the limitations of traditional industrial robots, with a focus on enhancing production in dynamic environments while ensuring human safety. This doctoral research delves into the realm of collaborative robotics, striving to offer a comprehensive set of guidelines and innovative solutions for the efficient deployment of cobots within the context of the human-centric Industry 5.0 paradigm. The core of this work involves the exploration of human-robot collaboration (HRC), particularly focusing on human-robot interaction (HRI) strategies and associated technologies. The cornerstone is the implementation of advanced human-robot interface devices that make robots more accessible for human interaction and flexible deployment. This study recognizes the increasing importance of collaborative robotic cells, particularly in improving operational adaptability without sacrificing safety. To automate trajectory planning in contact-based applications, a representative industrial case of the footwear sector is considered, featuring a 3D stereo depth camera, a six-axis collaborative robot, and a force/torque sensor. Experimental validation occurs in the context of glue deposition for shoe manufacturing, considering curvilinear non-flat workpieces. On the other hand, to present novel techniques for information exchange between humans and robots, the integration of brain-computer interface (BCI) technology and the hand-guiding mode into a collaborative robotic assembly task is explored as an exemplary application. A task-oriented algorithm, based on biosignals collected by the BCI, is proposed to provide command messages to the robotic manipulator, while a force/torque sensor can enable the provision of guidance messages, allowing for hand-guiding interaction. Experimental validation demonstrates substantial reductions in average cycle times and improved consistency with respect to a fully manual assembly process, illustrating the viability of this technology for Industry 5.0 applications. These innovations seek to improve rather than replace the skills of artisan professionals, fortify local industries, and foster innovation. A notable outcome is the exposition of the need for continued refinement in cobot cell design and human-robot interaction, thus setting the stage for further research and design endeavors. However, this work seeks to go beyond the usual technological issues and bridge the gap between the potential of cobots and their actual use in real-world automation. A pivotal contribution, in this sense, is the first-hand account of the application of a visual programming language to program a cobot for an authentic industrial application. This unravels the intricacies of the programming process and the design considerations inherent in the crafting of a robotic cell. A critical analysis of the resultant program illuminates the challenges and merits associated with adopting a simplified robotic programming paradigm. Additionally, to allow workers to increase their creativity, problem solving and managerial skills by using intelligent robotic tools, the proposed alternative layout of the robotic cell takes advantage of the human-centric philosophy of Industry 5.0, to promote flexibility in unloading operations in an end-of-line industrial process.

I robot collaborativi, o cobot, sono emersi come una soluzione trasformativa per affrontare le limitazioni dei tradizionali robot industriali, con l'obiettivo di migliorare la produzione in ambienti dinamici garantendo al contempo la sicurezza umana. Questa ricerca di dottorato esplora il mondo della robotica collaborativa, cercando di offrire un insieme completo di linee guida e soluzioni innovative per l'efficiente implementazione dei cobot nel contesto del paradigma dell'Industria 5.0 centrata sull'essere umano. Il nucleo di questo lavoro riguarda l'esplorazione della collaborazione uomo-robot (HRC), con particolare attenzione alle strategie di interazione (HRI) e alle tecnologie associate. Il pilastro centrale è l'implementazione di dispositivi avanzati di interfaccia uomo-macchina che rendano i robot più accessibili all'interazione umana e implementabili in modo flessibile. Questo studio riconosce l'importanza crescente delle celle robotiche collaborative, in particolare nel migliorare l'adattabilità operativa senza compromettere la sicurezza. Per automatizzare la pianificazione della traiettoria nelle applicazioni basate sul contatto, viene considerato un caso industriale rappresentativo del settore calzaturiero. La soluzione proposta è caratterizzata da una telecamera stereo 3D, un robot collaborativo a sei assi e un sensore di forza/coppia. La validazione sperimentale avviene nel contesto della deposizione di colla per la produzione di scarpe, considerando superfici non planari degli oggetti curvilinei considerati. D'altra parte, per investigare innovative tecniche di scambio di informazioni tra persone e robot, viene esplorata l'integrazione della interfaccia cervello-computer (BCI) e la modalità di guida manuale in un compito di assemblaggio robotico collaborativo come applicazione esemplificativa. Viene proposto un algoritmo basato sui biosignali raccolti dalla BCI, per fornire messaggi di comando al manipolatore robotico, mentre un sensore di forza/coppia permette lo scambio di messaggi aptici, consentendo il posizionamento guidato dall'interazione manuale. La validazione sperimentale dimostra una significativa riduzione dei tempi medi del ciclo e maggiore coerenza rispetto a un processo di assemblaggio completamente manuale, illustrando l'applicabilità di questa tecnologia per le applicazioni dell'Industria 5.0. Queste innovazioni sono volte a migliorare piuttosto che sostituire le competenze dei professionisti artigiani, rafforzare le industrie locali e promuovere l'innovazione. Un risultato rilevante è l'esposizione della necessità di un continuo perfezionamento della progettazione delle celle dei cobot e l'interazione uomo-robot, ponendo così le basi per ulteriori attività di ricerca e progettazione. Tuttavia, questa tesi si prefigge di andare oltre le solite problematiche di adozione di soluzioni tecnologiche e di colmare il divario tra il potenziale dei cobot e il loro effettivo utilizzo in impianti industriali reali. Un contributo fondamentale, in questo senso, è l'esperienza diretta dell'implementazione di un linguaggio di programmazione visiva per programmare un cobot per una reale applicazione industriale. Questo mostra le complessità del processo di programmazione e le considerazioni di progettazione intrinseche alla creazione di una cella robotica. Un'analisi critica del programma risultante illustra le sfide e i meriti associati all'adozione di una modalità semplificata di programmazione robotica. Inoltre, per consentire ai lavoratori di aumentare la loro creatività, capacità di risoluzione dei problemi e competenze manageriali utilizzando strumenti robotici intelligenti, viene proposto un layout alternativo della cella robotica, la quale sfrutta la filosofia della centralità dell’uomo dell'Industria 5.0, per promuovere la flessibilità nelle operazioni di scarico alla fine di una linea di produzione industriale.