NAVIGAZIONE IN TEMPO REALE DI UN MANIPOLATORE ROBOTICO INDUSTRIALE IN PRESENZA DI OSTACOLI

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1 NAVIGAZIONE IN TEMPO REALE DI UN MANIPOLATORE ROBOTICO INDUSTRIALE IN PRESENZA DI OSTACOLI Francesca Ballan Relatori: Dott. Ing. Tullio Facchinetti Chiar.ma Prof.ssa Antonella Ferrara Correlatori: Chiar.mo Prof. Ezio Bassi Dott. Ing. Luca M. Capisani

2 Sommario Introduzione al problema Implementazione protocollo TCP in S.Ha.R.K. Interfacciamento con la telecamera Elaborazione immagini Pianificazione della traiettoria Risultati sperimentali

3 Introduzione al problema Obstacle avoidance Problema comune per applicazioni robotiche Manipolatore robotico Non modellizzabile come oggetto puntiforme Si deve tenere conto della catena cinematica Necessità di disaccoppiare il controllo Utilizzo di un controllo molto preciso Tenere conto di eventuali incertezze

4 Il networking con S.Ha.R.K. Soft Hard Real-time Kernel (S.Ha.R.K.) sistema real-time con licenza GPL architettura modulare avanzata gestione del tempo protocollo di rete UDP/IP Implementazione protocollo TCP/IP necessario per l'interfacciamento con la telecamera (network camera)

5 Stack di rete di S.Ha.R.K. Livelli implementati

6 Elaborazione delle immagini Porting libreria libjpeg in S.Ha.R.K. decompressione JPEG Segmentazione in base a classi di colore test sui pixel analisi di ogni pixel per testare se appartiene ad una certa classe compressione RLE algoritmo find-union

7 Compressione RLE Immagine Matrice RLE B R B R B ciascuna riga è codificata in base alla lunghezza delle sequenze di colore omogeneo ciascuna sequenza contigua di colore omogeneo è detta run

8 Find-Union (1) Analisi prima riga di interesse il primo run viene impostato come radice dell'albero facendolo puntare a se stesso prima radice

9 Find-Union (2) Analisi terza riga di interesse si connette il quarto run alla radice del run con cui è in contatto (find) lo stesso si fa per il run a destra prima radice seconda radice Per adesso sembrano oggetti distinti

10 Find-Union (3) Analisi della quarta riga di interesse si trova un connessione tra i run appartenenti alle due colonne verticali il run viene fatto puntare alla prima radice trovata prima radice seconda radice Gli oggetti non sono più distinti

11 Find-Union (4) Analisi della quarta riga di interesse Non si può avere un albero con due radici Si fa puntare la seconda radice trovata alla prima (union) prima radice seconda radice

12 Pianificazione della traiettoria Spazio di lavoro W Spazio delle configurazioni C Inizio Inizio Goal Goal Il manipolatore è rappresentato come un punto

13 Notazioni Il manipolatore planare è composto da 2 link Configurazione Q del manipolatore: Q i spostamento angolare dell i-esimo link rispetto all asse orizzontale m ostacoli fissi di forma circolare con di centro V e raggio R Ogni ostacolo circolare è mappato nello spazio delle configurazioni C e rappresentano i punti per cui il manipolatore collide con l'ostacolo

14 Robot reale Differenze tra il robot reale e il robot 2-link ideale: presenza di fine corsa dimensione finita dei link spessore non nullo il raggio dell'ostacolo tiene conto delle dimensioni finite dei link la differenza tra la dimensione reale dell'ostacolo e il raggio sovra-dimensionato è detta area di sicurezza

15 Configurazioni di minimo ingombro Q 2 =Q 1 Q 2 =Q 1 Il robot è ripiegato su se stesso

16 Configurazioni di minimo ingombro reale Riduce il rischi di collisione con gli ostacoli Q 2 =Q o Q 2 =Q o Cerchio di minimo ingombro ideale Cerchio di minimo ingombro reale

17 Algoritmo di pianificazione della traiettoria Q init Q goal Si ipotizzi di voler tracciare una traiettoria tra la configurazione iniziale Q init e la configurazione finale Q goal

18 Algoritmo di pianificazione della traiettoria Q' Q init Q goal Si vuole raggiungere la configurazione di minimo ingombro Si trova il punto di intersezione tra la retta di minimo ingombro e la retta perpendicolare passante per il punto Q init (in questo caso Q')

19 Algoritmo di pianificazione della traiettoria Q' Q'' Q init Q goal Poi si trova il punto di intersezione tra la retta di minimo ingombro e la retta perpendicolare passante per il punto Q goal (in questo caso Q'')

20 Algoritmo di pianificazione della traiettoria Q' Q'' Q init Q goal Si comincia a percorrere la prima parte di traiettoria da Q init a Q', ma si incontra l'area di sicurezza dell'ostacolo

21 Algoritmo di pianificazione della traiettoria Q' Q'' Q init Q goal Si percorre la traiettoria lungo l'area di sicurezza

22 Algoritmo di pianificazione della traiettoria Q' Q'' Q init Q goal Si interseca la traiettoria precedentemente calcolata e si raggiunge Q'

23 Algoritmo di pianificazione della traiettoria Q' Q'' Q init Q goal Si percorre la seconda parte di traiettoria tra Q' e Q''

24 Algoritmo di pianificazione della traiettoria Q' Q'' Q init Q goal Si inizia la traiettoria tra Q'' e Q goal Si interseca nuovamente l'area di sicurezza dell'ostacolo

25 Algoritmo di pianificazione della traiettoria Q' Q'' Q init Q goal Si percorre la traiettoria lungo l'area di sicurezza

26 Algoritmo di pianificazione della traiettoria Q' Q'' Q init Q goal Si raggiunge la configurazione Q goal

27 Traiettoria A Problema: raggiungere il punto rosso dietro l'ostacolo Il manipolatore arriva nelle vicinanze dell'ostacolo una volta

28 Traiettoria B Problema: raggiungere il punto rosso sotto l'ostacolo Il manipolatore arriva nelle vicinanze dell'ostacolo due volte

29 Traiettoria C Problema: raggiungere il punto rosso posto tra gli ostacoli Il manipolatore passa tra i due ostacoli

30 Traiettoria C (2) Problema: raggiungere il punto rosso posto oltre gli ostacoli Il manipolatore passa nelle vicinanze del secondo ostacolo

31 Risultati sperimentali I dati relativi alla traiettoria lungo l'area di sicurezza Traiettoria Raggio [cm] Dist min [cm] Dist max [cm] A 10 1,60 5,86 A 7 1,73 5,83 A 4 1,49 5,98 B 10 3,34 2,31 B 7 3,38 2,26 B 4 3,50 2,10 Traiettoria Raggio 1[cm] Raggio 2 [cm] Dist min [cm] Dist max [cm] C 7 4 3,34 8,02

32 Conclusioni Implementazione TCP/IP in S.Ha.R.K. Interfacciamento con la network camera Elaborazione delle immagini Algoritmo di pianificazione e inseguimento della traiettoria (globale, on-line) Sviluppi futuri gestione di ostacoli mobili movimenti non planari robot a n-link forma arbitraria degli ostacoli

33 NAVIGAZIONE IN TEMPO REALE DI UN MANIPOLATORE ROBOTICO INDUSTRIALE IN PRESENZA DI OSTACOLI Francesca Ballan Relatori: Dott. Ing. Tullio Facchinetti Chiar.ma Prof.ssa Antonella Ferrara Correlatori: Chiar.mo Prof. Ezio Bassi Dott. Ing. Luca M. Capisani