Design of a device based on Arduino to contol an extruder and simulation of a collision avoidance algorithm to be implemented on cobot

This thesis work has two main aims, both related to the operations of a robotic system used in a manufacturing line. The first objective is to validate the outcome of a collision avoidance algorithm through the usage of a simulator which replicates the real world environment to obtain a safe and optimal trajectory that will be implemented on a robot, enabling it to perform its task without colliding with the obstacles within its environment. The second aim focuses on the control of an extrusion process of the glue, employing an extruder mounted on the robot end-effector.The system cooperates with the robot, creating a control system that is independent from the type of robot used. The thesis starts with an introductory section about the path finding algorithms. Then an explanation of the algorithm used to control the simulation starting from the data generated by MATLAB is provided. The software is made of three different subsystems, two of them developed using MATLAB and one created within an online 3D simulator named CoppeliaSim, programmed in LUA. Before the actual implementation on the real robot, some testing simulations are made. The final results are validated in an experimental session made at Atom S.p.A on a Universal robot UR5e. The subsequent sections present the features and elements of the control system used. The extruder is mounted on a Universal Robot UR10. The aim of the process is to glue the upper of a shoe, regulating the extrusion temperature and the process phases that ensure a good quality result. In this thesis the functionality of main hardware elements, among which the Arduino microcontrollers, used to control the process are presented. Subsequently, a brief theoretical introduction of the methodologies used for the closedloop are described. Then, the control system algorithm is presented in details, diving the designed software in smaller subsystems and assigning to each of the three used Arduino boards different responsibilities. The testing phase facilitates the selection of the appropriate controller and its fine-tuning for closed-loop system operation, as well as the selection of the right filter for precise temperature control. The resulting system, implemented at the company Atom Lab, is presented in this thesis.

Design di un dispositivo basato su Arduino per il controllo di un estrusore e simulazione di un algoritmo di evitamento delle collisioni da implementare su un robot collaborativo. Questa tesi si propone di perseguire due obiettivi, entrambi focalizzati sulle operazioni di un sistema robotizzato impiegato all’interno di una linea di produzione. Il primo obiettivo riguarda la validazione dei dati prodotti da un algoritmo di evitamento delle collisioni. Tale validazione avviene mediante l’utilizzo di un simulatore che replica l’ambiente reale, allo scopo di ottenere una traiettoria sicura e ottimale da implementare sul robot. L’obiettivo è consentire al robot di svolgere le proprie mansioni senza collidere con gli ostacoli presenti nell’ambiente. Il secondo obiettivo si concentra sul controllo di un processo di estrusione della colla, il quale prevede l’utilizzo di un estrusore montato all’estremità del robot. Questo sistema coopera con il robot, rimanendo indipendente dal tipo di robot utilizzato. La tesi inizia con un’introduzione sugli algoritmi di ricerca del percorso, concentrandosi su quello utilizzato. Successivamente, viene presentato l’algoritmo impiegato per controllare la simulazione. Il software realizzato si compone di tre sottosistemi, di cui due implementati in MATLAB e uno creato utilizzando un simulatore 3D chiamato CoppeliaSim, programmato in LUA. Prima di procedere all’implementazione dei percorsi calcolati sul robot reale, sono stati effettuati dei test in ambiente di simulazione. I risultati ottenuti sono stati validati sperimentalmente utilizzando il robot collaborativo UR5e presente nel laboratorio di Atom S.p.A. Le successive sezioni di questa tesi presentano le caratteristiche e gli elementi del sistema di controllo utilizzato, tra cui Arduino, per gestire il processo di estrusione. L’estrusore è stato montato sul robot collaborativo UR10, anch’esso presente nel laboratorio di Atom S.p.A. L’obiettivo del processo da controllare è l’incollaggio della suola di una scarpa, controllando le varie fasi del processo per ottenere un prodotto finale di buona qualità. Successivamente, viene presentata una descrizione teorica delle metodologie impiegate nel sistema ad anello chiuso progettato. L’algoritmo sviluppato per il sistema di controllo viene presentato nel dettaglio. Quest’ultimo è suddiviso in sottosistemi con differenti responsabilità, ciascuno dei quali è assegnato a un diverso Arduino. La fase di test condotta in seguito ha consentito di selezionare il regolatore da utilizzare per il controllo della temperature e di regolarne opportunamente i parametri. Inoltre, ha permesso di scegliere i parametri del filtro da utilizzate per mitigare l’effetto del rumore, ottenendo un controllo più accurato della temperatura. Nella parte conclusiva della tesi viene presentato il sistema ottenuto, implementato sul robot sopra menzionato.