Vision-Based Solutions for Human-Robot Collaboration in Industrial Workcells

Industrial robots are both versatile and high performant, enabling the flexible automation typical of the modern Smart Factories. For safety reasons, however, they must be relegated inside closed fences and/or virtual safety barriers, to keep them strictly separated from human operators. This can be a limitation in some scenarios in which it is useful to combine the human cognitive skill with the accuracy and repeatability of a robot, or simply to allow a safe coexistence in a shared workspace. Collaborative robots (cobots), on the other hand, are intrinsically limited in speed and power in order to share workspace and tasks with human operators, and feature the very intuitive hand guiding programming method. Cobots, however, cannot compete with industrial robots in terms of performance, and are thus useful only in a limited niche, where they can actually bring an improvement in productivity and/or in the quality of the work thanks to their synergy with human operators. The limitations of both the pure industrial and the collaborative paradigms can be overcome by combining industrial robots with artificial vision. In particular, vision can be exploited for a real-time adjustment of the pre-programmed task-based robot trajectory, by means of the visual tracking of dynamic obstacles (e.g. human operators). This strategy allows the robot to modify its motion only when necessary, thus maintain a high level of productivity but at the same time increasing its versatility. Other than that, vision offers the possibility of more intuitive programming paradigms for the industrial robots as well, such as the programming by demonstration paradigm. These possibilities offered by artificial vision enable, as a matter of fact, an efficacious and promising way of achieving human-robot collaboration, which has the advantage of overcoming the limitations of both the previous paradigms yet keeping their strengths.

Sviluppo di un sistema di Realta Aumentata applicato a un modello 3D della prostata, sviluppato a partire da immagini RM, al fine di facilitare la dissezione del tumore e la conservazione dei fasci neuro vascolari durante l'intervento chirurgico di prostatectomia radicale robot-assistita

La realtà aumentata (AR) è una nuova tecnologia adottata in chirurgia prostatica con l'obiettivo di migliorare la conservazione dei fasci neurovascolari (NVB) ed evitare i margini chirurgici positivi (PSM). Abbiamo arruolato prospetticamente pazienti con diagnosi di cancro alla prostata (PCa) sul base di biopsia di fusione mirata con mpMRI positiva. Prima dell'intervento, i pazienti arruolati sono stati indirizzati a sottoporsi a ricostruzione del modello virtuale 3D basato su mpMRI preoperatoria immagini. Infine, il chirurgo ha eseguito la RARP con l'ausilio del modello 3D proiettato in AR all'interno della console robotica (RARP guidata AR-3D). I pazienti sottoposti a AR RARP sono stati confrontati con quelli sottoposti a "RARP standard" nello stesso periodo. Nel complesso, i tassi di PSM erano comparabili tra i due gruppi; I PSM a livello della lesione indice erano significativamente più bassi nei pazienti riferiti al gruppo AR-3D (5%) rispetto a quelli nel gruppo di controllo (20%; p = 0,01). La nuova tecnica di guida AR-3D per l'analisi IFS può consentono di ridurre i PSM a livello della lesione dell'indice

Preventing worker’s musculoskeletal disorders with wearable inertial sensors: ergonomics and modelling of physical human-robot interactions

The most widespread work-related diseases are musculoskeletal disorders (MSD) caused by awkward postures and excessive effort to upper limb muscles during work operations. The use of wearable IMU sensors could monitor the workers constantly to prevent hazardous actions, thus diminishing work injuries. In this thesis, procedures are developed and tested for ergonomic analyses in a working environment, based on a commercial motion capture system (MoCap) made of 17 Inertial Measurement Units (IMUs). An IMU is usually made of a tri-axial gyroscope, a tri-axial accelerometer, and a tri-axial magnetometer that, through sensor fusion algorithms, estimates its attitude. Effective strategies for preventing MSD rely on various aspects: firstly, the accuracy of the IMU, depending on the chosen sensor and its calibration; secondly, the correct identification of the pose of each sensor on the worker’s body; thirdly, the chosen multibody model, which must consider both the accuracy and the computational burden, to provide results in real-time; finally, the model scaling law, which defines the possibility of a fast and accurate personalization of the multibody model geometry. Moreover, the MSD can be diminished using collaborative robots (cobots) as assisted devices for complex or heavy operations to relieve the worker's effort during repetitive tasks. All these aspects are considered to test and show the efficiency and usability of inertial MoCap systems for assessing ergonomics evaluation in real-time and implementing safety control strategies in collaborative robotics. Validation is performed with several experimental tests, both to test the proposed procedures and to compare the results of real-time multibody models developed in this thesis with the results from commercial software. As an additional result, the positive effects of using cobots as assisted devices for reducing human effort in repetitive industrial tasks are also shown, to demonstrate the potential of wearable electronics in on-field ergonomics analyses for industrial applications.

A ROS-based software architecture for a versatile collaborative dual-armed autonomous mobile robot for the manufacturing industry

The industrial context is changing rapidly due to advancements in technology fueled by the Internet and Information Technology. The fourth industrial revolution counts integration, flexibility, and optimization as its fundamental pillars, and, in this context, Human-Robot Collaboration has become a crucial factor for manufacturing sustainability in Europe. Collaborative robots are appealing to many companies due to their low installation and running costs and high degree of flexibility, making them ideal for reshoring production facilities with a short return on investment. The ROSSINI European project aims to implement a true Human-Robot Collaboration by designing, developing, and demonstrating a modular and scalable platform for integrating human-centred robotic technologies in industrial production environments. The project focuses on safety concerns related to introducing a cobot in a shared working area and aims to lay the groundwork for a new working paradigm at the industrial level. The need for a software architecture suitable to the robotic platform employed in one of three use cases selected to deploy and test the new technology was the main trigger of this Thesis. The chosen application consists of the automatic loading and unloading of raw-material reels to an automatic packaging machine through an Autonomous Mobile Robot composed of an Autonomous Guided Vehicle, two collaborative manipulators, and an eye-on-hand vision system for performing tasks in a partially unstructured environment. The results obtained during the ROSSINI use case development were later used in the SENECA project, which addresses the need for robot-driven automatic cleaning of pharmaceutical bins in a very specific industrial context. The inherent versatility of mobile collaborative robots is evident from their deployment in the two projects with few hardware and software adjustments. The positive impact of Human-Robot Collaboration on diverse production lines is a motivation for future investments in research on this increasingly popular field by the industry.

Strategie produttive e di marketing nell'industria cinematografica e televisiva: i casi di Mr. Robot e No Time to Die

La tesi si occupa di delineare una panoramica sul sistema dell'industria dei media e in particolare delle tendenze contemporanee produttive e di marketing volte ad attirare il maggior numero di consumatori. Si prende in esame il prodotto cinematografico dal punto di vista economico e di marketing delineandone i diversi processi: dal marketing mix alle tecniche di segmentazione, targeting e posizionamento fino alle diverse componenti del prodotto stesso che influenzano le scelte dei fruitori. Quest'ultimi esprimono esigenze diverse ed è per questo che è importante che si conosca la domanda a cui rivolgersi e saper comunicare nel modo più adeguato possibile. Nella contemporaneità lo spettatore è sempre più attivo e coinvolto poiché con la sovrabbondanza di offerta si cerca di produrre contenuti più complessi, serializzati e high concept proprio con l'obiettivo di attrarre. Nell'era della convergenza, come definita da Henry Jenkins, si parla di prosumer, ovvero di soggetti che partecipano attivamente al consumo dei prodotti producendo a loro volta contenuti. A queste dinamiche, il marketing contemporaneo risponde a sua volta con forme esperienziali e a forme virali che possano attirare l'attenzione. Analizzo a tal proposito la campagna marketing della serie tv Mr. Robot in quanto si inserisce all'interno della complessità produttiva e della transmedialità e il caso cinematografico della campagna di No Time to Die, l'ultimo film del franchise di 007, in era pandemica.

Dynamic Human Robot Interaction Framework Using Deep Learning and Robot Operating System (ROS): a practical approach

Trying to explain to a robot what to do is a difficult undertaking, and only specific types of people have been able to do so far, such as programmers or operators who have learned how to use controllers to communicate with a robot. My internship's goal was to create and develop a framework that would make that easier. The system uses deep learning techniques to recognize a set of hand gestures, both static and dynamic. Then, based on the gesture, it sends a command to a robot. To be as generic as feasible, the communication is implemented using Robot Operating System (ROS). Furthermore, users can add new recognizable gestures and link them to new robot actions; a finite state automaton enforces the users' input verification and correct action sequence. Finally, the users can create and utilize a macro to describe a sequence of actions performable by a robot.

Factors affecting the mission time of an autonomous mobile robot: a theoretical and experimental investigation

I vantaggi dell’Industria 4.0 hanno stravolto il manufacturing. Ma cosa vuol dire "Industria 4.0"? Essa è la nuova frontiera del manufacturing, basata su princìpi che seguono i passi avanti dei sistemi IT e della tecnologia. Dunque, i suoi pilastri sono: integrazione, verticale e orizzontale, digitalizzazione e automazione. L’Industria 4.0 coinvolge molte aree della supply chain, dai flussi informativi alla logistica. In essa e nell’intralogistica, la priorità è sviluppare dei sistemi di material handling flessibili, automatizzati e con alta prontezza di risposta. Il modello ideale è autonomo, in cui i veicoli fanno parte di una flotta le cui decisioni sono rese decentralizzate grazie all'alta connettività e alla loro abilità di collezionare dati e scambiarli rapidamente nel cloud aziendale.Tutto ciò non sarebbe raggiungibile se ci si affidasse a un comune sistema di trasporto AGV, troppo rigido e centralizzato. La tesi si focalizza su un tipo di material handlers più flessibile e intelligente: gli Autonomous Mobile Robots. Grazie alla loro intelligenza artificiale e alla digitalizzazione degli scambi di informazioni, interagiscono con l’ambiente per evitare ostacoli e calcolare il percorso ottimale. Gli scenari dell’ambiente lavorativo determinano perdite di tempo nel tragitto dei robot e sono queste che dovremo studiare. Nella tesi, i vantaggi apportati dagli AMR, come la loro decentralizzazione delle decisioni, saranno introdotti mediante una literature review e poi l’attenzione verterà sull’analisi di ogni scenario di lavoro. Fondamentali sono state le esperienze nel Logistics 4.0 Lab di NTNU, per ricreare fisicamente alcuni scenari. Inoltre, il software AnyLogic sarà usato per riprodurre e simulare tutti gli scenari rilevanti. I risultati delle simulazioni verranno infine usati per creare un modello che associ ad ogni scenario rilevante una perdita di tempo, attraverso una funzione. Per questo saranno usati software di data analysis come Minitab e MatLab.

Robotics and neurodevelopmental disorder: design and implementation of a system of engagement metrics in human-robot interactions.

In the recent decades, robotics has become firmly embedded in areas such as education, teaching, medicine, psychology and many others. We focus here on social robotics; social robots are designed to interact with people in a natural and interpersonal way, often to achieve positive results in different applications. To interact and cooperate with humans in their daily-life activities, robots should exhibit human-like intelligence. The rapid expansion of social robotics and the existence of various kinds of robots on the market have allowed research groups to carry out multiple experiments. The experiments carried out have led to the collections of various kinds of data, which can be used or processed for psychological studies, and studies in other fields. However, there are no tools available in which data can be stored, processed and shared with other research groups. This thesis proposes the design and implementation of visual tool for organizing dataflows in Human Robot Interaction (HRI).

Design di leggi di controllo per attività di Pick and Place con Robot Delta

Il seguente elaborato, frutto dell’attività di tirocinio presso il laboratorio del DIN di Montecuccolino, si prefigge di presentare un’architettura software contenente tutte le leggi di controllo necessarie allo svolgimento di un’attività di Pick and Place con un Robot Delta. L’elaborato si articola in una prima fase di analisi del Robot, una seconda fase di calibrazione del sistema in struttura e una terza fase di sviluppo del software di controllo con successiva validazione sperimentale dei risultati ottenuti.

Operazioni di assemblaggio automatizzato tramite robot antropomorfo e visione artificiale

Obiettivo dello studio condotto è l’implementazione di cicli di operazioni per l’assemblaggio automatizzato di componenti che costituiscono un sistema di trasporto a catena presente in alcune macchine automatiche. L’automazione del processo, fino ad oggi svolto manualmente, prevede l’utilizzo di un robot e, per il controllo di quest’ultimo, di un sistema di visione artificiale. L’attività di tirocinio associata alla tesi di laurea, che ha incluso una parte sperimentale oltre alla scrittura degli algoritmi di controllo del robot, è stata svolta all’interno del laboratorio TAILOR (Technology and Automation for Industry LabORatory) presso Siropack Italia S.r.l dove è presente una cella dotata di robot antropomorfo (Mitsubishi Electric) e di sistema di visione artificiale con camere 2D (Omron). La presenza di quest’ultimo è risultata strategica in termini di possibilità di adattare il montaggio anche a diversi posizionamenti degli oggetti all’interno dello spazio di lavoro, fermo restando che gli stessi risultassero appoggiati su una superficie piana. In primo luogo, affinché fosse garantita la ripetibilità del processo, sono state testate le prestazioni del sistema di visione tramite opportuna calibrazione della camera e del sistema di illuminazione ad esso collegata, al fine di ottenere un’acquisizione delle immagini che fosse sufficientemente robusta e risoluta mediante lo sfruttamento del software di elaborazione Omron FH Vision System. Un’opportuna programmazione della traiettoria del robot in ambiente di simulazione RT Toolbox 3, software integrato nel sistema di controllo del robot Mitsubishi Electric, ha infine consentito le regolari operazioni di assemblaggio, garantendo un processo affidabile ed, allo stesso tempo, adattabile ad ambienti eventualmente non strutturati in cui esso si trova ad operare.

Applicazione ROS 2 di un robot antropomorfo in esecuzione su container VxWorks in architettura IMA

L’elaborato di tesi discute del progetto di integrazione tra ROS 2, framework open-source per lo sviluppo di applicazioni robotiche, e VxWorks, sistema operativo in tempo reale (RTOS), attraverso l’utilizzo di container OCI compliant su VxWorks. L’integrazione è stata svolta all’interno dello stack software di IMA (Industria Macchine Automatiche). Il progetto ha dunque integrato ROS 2 Humble e VxWorks 7 permettendo l’utilizzo di costrutti software di ROS 2 su dei container in esecuzione a livello User su VxWorks. Successivamente è stata creata una applicazione di pick and place con un robot antropomorfo (Universal Robots Ur5e) avvalendosi di ROS 2 Control, framework per l’introduzione e gestione di hardware e controllori, e MoveIt 2, framework per incorporare algoritmi di motion-planning, cinematica, controllo e navigazione. Una volta progettata l’applicazione, il sistema è stato integrato all’interno dell’architettura di controllo di IMA. L’architettura a container VxWorks di IMA è stata estesa per il caso ROS 2, la comunicazione tra campo e applicazione ROS 2 è passata tramite il master EtherCAT e il modulo WebServer presenti nell’architettura IMA. Una volta eseguito il container ROS 2 posizione e velocità dei servo motori sono stati inviati tramite al WebServer di IMA sfruttando la comunicazione VLAN interna. Una volta ricevuto il messaggio, il WebServer si è occupato di trasferirlo al master EtherCAT che in aggiunta si è occupato anche di ottenere le informazioni sullo stato attuale del robot. L’intero progetto è stato sviluppato in prima battuta in ambiente di simulazione per validarne l’architettura. Successivamente si è passati all’installazione in ambiente embedded grazie all’ausilio di IPC sui quali è stato testato l’effettivo funzionamento dell’integrazione all’interno dell’architettura IMA.

Cheaper Faster Drug Development Validated By The Repositioning Of Drugs Against Neglected Tropical Diseases.

There is an urgent need to make drug discovery cheaper and faster. This will enable the development of treatments for diseases currently neglected for economic reasons, such as tropical and orphan diseases, and generally increase the supply of new drugs. Here, we report the Robot Scientist 'Eve' designed to make drug discovery more economical. A Robot Scientist is a laboratory automation system that uses artificial intelligence (AI) techniques to discover scientific knowledge through cycles of experimentation. Eve integrates and automates library-screening, hit-confirmation, and lead generation through cycles of quantitative structure activity relationship learning and testing. Using econometric modelling we demonstrate that the use of AI to select compounds economically outperforms standard drug screening. For further efficiency Eve uses a standardized form of assay to compute Boolean functions of compound properties. These assays can be quickly and cheaply engineered using synthetic biology, enabling more targets to be assayed for a given budget. Eve has repositioned several drugs against specific targets in parasites that cause tropical diseases. One validated discovery is that the anti-cancer compound TNP-470 is a potent inhibitor of dihydrofolate reductase from the malaria-causing parasite Plasmodium vivax.

Imigrantes bolivianos em São Paulo : a Praça Kantuta e o futebol

Universidade Estadual de Campinas . Faculdade de Educação Física

Variabilidade dos indicadores antropométricos e de desempenho físico de jovens futebolistas em função da idade cronológica

Universidade Estadual de Campinas . Faculdade de Educação Física

Análise dos esforços de alta intensidade de jogadores de futebol profissional

Universidade Estadual de Campinas . Faculdade de Educação Física