Introduzione





INTRODUZIONE








Guardando alla robotica dal punto di vista di uno studente di Ingegneria Elettronica che vi si affacci per la prima volta , ci si imbatte inevitabilmente nella distinzione fra robotica industriale e robotica avanzata , tradizionalmente consolidata anche negli ordinamenti didattici : tanto è matura e feconda di applicazioni immediate la prima , quanto in continua evoluzione e prolifica per lo più di prototipi la seconda , che in ogni ateneo si trovano corsi espressamente dedicati allo studio delle tecniche di modellazione , pianificazione e controllo dei robot industriali , mentre l’approfondimento delle tematiche legate ai robot autonomi viene lasciato , per chi lo desidera , ai lavori di tesi . I sistemi per il grasping assistito da visione artificiale e i manipolatori mobili , che saranno trattati nel prosieguo di questo lavoro , tendono a superare questa distinzione e indicano la direzione per una futura e definitiva integrazione delle due discipline . La meta è però ancora lontana e lo testimonia il divario tuttora esistente fra il mercato dei robot industriali operanti in ambienti strutturati e quello dei robot in grado di lavorare in parziale autonomia.

Esistono già in commercio sistemi di visione che permettono ad un robot di portare a termine semplici compiti di manipolazione , ma la sfida posta dal mercato risiede nella capacità di ridurre i costi e di svolgere compiti più complessi : quando questi obiettivi saranno raggiunti si può ragionevolmente prevedere che a fianco di ogni robot sarà sempre presente almeno un sistema di visione .

In questa direzione si sono mossi alcuni progetti sviluppati presso il Dipartimento di Elettronica e Automatica dell’Università di Ancona [2,3] , oggi Dipartimento di Ingegneria Informatica , Gestionale e dell’Automazione , che in questa sede si intende riprendere ed ampliare per adattare a nuove esigenze.

Diversa è la situazione per i manipolatori mobili : il gap presente fra precisione e prestazioni dinamiche dei manipolatori industriali e delle piattaforme mobili , che la robotica autonoma è finora in grado di produrre , non consente di prevedere a breve una larga diffusione di questi sistemi nelle industrie . Dove però queste esigenze non sono vincolanti , l’interesse per il loro sviluppo è più che mai vivo : è il caso della manipolazione di oggetti in ambienti ostili , dei robot per l’intrattenimento , della domotica , dell’assistenza ospedaliera e , soprattutto , della robotica assistiva considerata in questo progetto.

Questa disciplina si pone come obiettivo il miglioramento delle condizioni di vita di soggetti con limitate funzionalità motorie , quali disabili e anziani , attraverso sistemi che facilitino l’esecuzione dei compiti abituali nella vita quotidiana . Anche in questo campo esistono già sul mercato sistemi funzionanti , per lo più postazioni fisse e telemanipolatori da montare su carrozzelle , mentre alcuni prototipi di manipolatori mobili parzialmente autonomi sono stati realizzati dai gruppi di ricerca che , nel mondo , si occupano di queste tematiche [8,18] : una panoramica di questi sistemi verrà presentata nel capitolo 1 .

Fra i telemanipolatori , cioè sistemi pensati per essere pilotati a vista dall’utente mediante joystick o interfacce affini , vi è il MANUS , che verrà utilizzato in questo lavoro . E’ prodotto dalla società olandese EXACT-DYNAMICS e nella versione per le Università e gli enti di ricerca prevede la possibilità di accedere , seppur in maniera limitata , al controllore per sviluppare sistemi dotati di maggiore autonomia.

L’obiettivo di questa tesi è proprio quello di predisporre attorno al MANUS un insieme di sistemi Hardware e Software che permettano di passare da un telemanipolatore fisso ad un manipolatore mobile capace , grazie al sistema di visione , di afferrare oggetti in ambienti parzialmente sconosciuti . In figura 1 è mostrato uno schema di massima dell’architettura adottata a questo scopo , che espone le relazioni esistenti fra i singoli sottosistemi : sarà utile per illustrare la suddivisione in capitoli di questo elaborato.


Figura 1 : La schema a blocchi del sistema


Nel capitolo 1 verrà presentata una panoramica sulla robotica industriale e sulla robotica assistiva : della prima verranno approfondite le tecniche di pianificazione del moto e modellazione cinematica , spiegando quali fra queste siano state ritenute più consone alle condizioni operative riscontrate . Riguardo alla seconda verranno esposti gli obiettivi e i requisiti di un sistema robotico per l’assistenza e se ne presenterà lo stato dell’arte , citando le soluzioni adottate in alcuni progetti significativi così da poterle confrontare con l’architettura descritta in figura 1 .

Nel capitolo 2 sarà prima descritta la telecamera adottata e la scheda di acquisizione che permette di interfacciarla al Personal Computer , poi verranno esposti due metodi per risalire alle coordinate dello spazio tridimensionale a partire dai punti dell’immagine . Per ciascuno dei due saranno valutate la compatibilità con l’hardware adottato e saranno proposti degli algoritmi di calibrazione . Si concluderà analizzando il programma di visione realizzato .

Il terzo capitolo è riportato per esigenze di completezza , perché il software per il grasping dell’oggetto è stato sviluppato in [2] e in [3] e qui semplicemente riadattato alle nuove condizioni di lavoro .

Nel capitolo 4 verranno descritti la meccanica , l’hardware e il protocollo di comunicazione del sistema MANUS , che incideranno in modo determinante sulla stesura degli algoritmi implementati e sulla scelta dei linguaggi di programmazione : il linguaggio C per il driver , il MATLAB per la prevenzione delle collisioni e il calcolo della traiettoria , il LABVIEW per l’interfacciamento del pianificatore con il sistema di visione e di grasping . Il ricorso a diversi ambienti di sviluppo è stato evidenziato in figura 1 mediante il colore dei blocchi del sistema .

Questi algoritmi saranno trattati in dettaglio nel capitolo 5 , dopo aver riassunto le ipotesi sulla base mobile e sull’ambiente di lavoro del manipolatore complessivo . La tesi si concluderà col capitolo 6 , dove verranno riepilogati i risultati osservati per ciascun blocco descritto nei capitoli precedenti . A partire da questi verranno tratte le conclusioni sul progetto realizzato e saranno suggeriti gli sviluppi futuri .

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