Desarrollo de una aplicación para la detección y evasión de colisiones en el espacio tridimensional. Implementación en robótica industrial

Abstract

[ES] El objetivo principal de la presente propuesta de Trabajo Fin de Máster es el desarrollo de un sistema de detección y evasión de colisiones en trayectorias situadas en el espacio tridimensional. Para ello se aborda y se calcula la intersección de las trayectorias para obtener el posible encuentro de dos elementos que están recorriendo sus respectivos trayectos. En el caso de que se detecte una posible colisión se debe generar una (o más) trayectorias de evasión. Estas trayectorias se apoyan en el método de aproximación de puntos basados en curvas de Bézier acompañadas de un método de evasión de colisiones empleando la teoría de mínimos cuadrados con restricciones.

Para alcanzar este objetivo es necesario desarrollar y diseñar un simulador que permita al usuario introducir los datos de las trayectorias que se analizan. De esta forma se pueden verificar y validar los diferentes algoritmos computacionales para la detección y la evitación de colisiones.

Una vez desarrollado el simulador se debe implementar y validar este sistema sobre un sistema real. En concreto se propone utilizar la célula robótica existente en el Laboratorio de Robótica del Dpto. de Ingeniería de Sistemas y Automática. Se emplea un robot industrial IRB 140 (de la empresa ABB), un robot colaborativo UR3 (de Universal Robots) y una cinta transportadora.

Con la ayuda del simulador y del sistema real del laboratorio es posible abordar el estudio de varios métodos que potencian las características de las curvas de Bézier. Se analizan varios casos: comprobación de la existencia de colisión (y evasión) entre la trayectoria de un robot y un objeto situado en una cinta transportadora; comprobación de la existencia de colisión con otro robot que sigue una trayectoria en sus proximidades; y cálculo de la trayectoria de un robot colaborativo para que se produzca un encuentro con un objeto en la cinta y se golpee para desecharlo de la misma.

Para todo esto se programan, en los lenguajes de programación de cada robot, los distintos algoritmos de detección y evitación de colisiones, así como la comunicación y la coordinación entre ellos.

[EN] The main objective of the present TFM is the development of a system for detection and evasion of collisions in trajectories located in three-dimensional space. The intersection of the trajectories is calculated to obtain the possible confluence of elements that are traveling their paths. In the event that a possible collision is detected, one (or more) evasion trajectories must be generated. These trajectories are based on the approach method of points defined by Bézier curves accompanied by a collision evasion method using the theory of least squares with restrictions.

To achieve this goal it is necessary to develop and design a simulator that allows the user to enter the data of the trajectories that are analyzed. In this way, the different computational algorithms for the detection and avoidance of collisions can be verified and validated.

Once the simulator has been developed, this system must be implemented and validated on a real system. Specifically, it is proposed to use the existing robot cell in the Robotics Laboratory of the Department of Systems Engineering and Automation. The industrial robot IRB 140 (from ABB), the collaborative robot UR3 (from Universal Robots) and a belt conveyor are used for the tests.

Whit simulator help and the real laboratory system it is possible to approach the study of several methods that enhance the characteristics of the Bézier curves. The cases analyzed in this paper are: checking for the existence of collision (and evasion) between the path of a robot and an object located on a belt conveyor; checking for the existence of collision with another robot that follows a trajectory in its vicinity; and calculation of the trajectory of a collaborative robot for the interception with the trajectory of an object to dispose of it from the belt conveyor.

The different collision detection and avoidance algorithms are programmed, as well as communication and coordination between them in the programming languages of each robot.