Progettazione e realizzazione di un sistema di acquisizione delle traiettoria di un robot mediante telecamera digitale

Schema dell'impianto

La percezione visiva, per un sistema robotizzato, è una caratteristica che influenza sensibilmente le capacità di interagire con l’ambiente circostante. Ancor prima di arrivare all’interazione con l’ambiente, la visione risulta un ottimo e, per certi versi, insostituibile mezzo di valutazione ed analisi del funzionamento del robot stesso.

La non perfetta corrispondenza tra i movimenti comandati e quelli eseguiti dalla catena cinematica che costituisce un robot, sono un esempio evidente di quello che un sistema di visione può mettere in risalto, facilitando le eventuali correzioni da effettuare.

In quanto su esposto si inseriscono il sistema di acquisizione delle immagini tramite telecamera digitale che è stato messo a punto e l’indagine che si è eseguita sul robot sperimentale del Laboratorio di Robotica del Dipartimento di Ingegneria Meccanica per l’Energetica.

Il lavoro svolto si è articolato, essenzialmente, in due diverse fasi: una prima fase è consistita in una approfondita ricerca bibliografica e nello studio delle teorie proposte in letteratura. In una seconda fase si operata la sintesi di tali teorie che ha consentito di realizzare e mettere a punto il sistema di misura delle traiettorie eseguite da un manipolatore planare tramite l’utilizzo di una telecamera digitale, in modo da poter ottenere anche la indicazione temporale.

Il primo problema affrontato è stato la scelta del posizionamento ottimale della telecamera digitale in dotazione; come descritto nel secondo capitolo, sono state applicate le teorie elaborate da Sharma ed Hutchinson.

Ha fatto seguito la ricerca di un sistema per l’individuazione di un bersaglio in un’immagine; il problema è stato risolto con l’utilizzo del software MATLAB.

L’ambiente di lavoro MATLAB è stato un efficiente supporto per la preparazione di una procedura automatizzata che consentisse di ottenere la traiettoria e le leggi del moto dell’orgamo terminale di un manipolatore a partire dai fotogrammi che costituiscono la ripresa della stessa traiettoria.

Per l’elaborazione della procedura suddetta è stato necessario ricavare le relazioni tra le coordinate nel piano di lavoro del robot e le relative coordinate nel piano dell’immagine. Il procedimento, descritto nel quarto capitolo, ha portato all’individuazione delle trasformazioni prospettiche che consentono tale passaggio di coordinate. Il lavoro svolto è stato particolarizzato per il manipolatore a due gradi di libertà del D.I.M.E., ma il sistema realizzato può essere impiegato per un qualsiasi tipo di manipolatore planare, particolarizzando le equazioni cinematiche relative ad esso.

I risultati conseguiti, presentati nel quinto capitolo, possono ritenersi soddisfacenti, malgrado i limiti intrinseci della telecamera digitale utilizzata: una capacità di acquisizione di soli 25 fotogrammi al secondo non si è dimostrata, infatti, sempre sufficiente ad esaminare nel modo più corretto le traiettorie eseguite dal manipolatore.

Il sistema realizzato può però essere facilmente modificato per l’uso di una qualsiasi telecamera, variando, nelle equazioni di trasformazione i parametri relativi ad essa (risoluzione, scansione temporale, lunghezza focale,…).

Il traguardo di maggior importanza raggiunto è stato la realizzazione di una procedura software per la calibrazione del sistema visivo e per l’acquisizione della traiettoria, che ha il pregio di essere anche abbastanza flessibile per eventuali modifiche.

Le tecniche di calibrazione, in particolare, sono state messe a punto tramite un’ottimizzazione delle equazioni che descrivono il passaggio di coordinate dal piano del moto del manipolatore a quello dell’immagine. Un tale processo ha permesso di effettuare una misura precisa della posizione dell’origine del riferimento dell’immagine nel riferimento del robot. Questa operazione deve essere ripeteuta ad ogni sessione di prova, essendo i due riferimenti citati, suscettibili di spostamento.

L’ottimizzazione per via software, nonostante gli inevitabili errori di approssimazione, consente di ricavare una misura sufficientemente precisa.

Un’ulteriore considerazione deve essere fatta sul codice di interfaccia elaborato.

Sfruttando le funzioni dell’ambiente MATLAB, è stato realizzato un software per l’esecuzione delle diverse operazioni collegate al processo di acquisizione.

Tale codice ha lo scopo di facilitare la realizzazione della misura: avendo una interfaccia estremamente amichevole, evita all’utente i compiti di dover passare da un programma all’altro, quelli di salvataggio e quelli di richiamo delle informazioni.

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