Studio e implementazione di tecniche di Hand Eye Calibration di un Braccio Robotico

La tesi indaga il problema di calibrazione Hand Eye, ovvero la trasformazione geometrica fra i diversi sistemi di riferimento della camera e dell'attuatore del robot, presentando il problema ed analizzando le varie soluzioni proposte in letteratura. Viene infine presentata una implementazione realizzata in collaborazione con l'azienda SpecialVideo, implementata utilizzando l'algoritmo proposto da Konstantinos Daniilidis, il quale propone una formulazione del problema sfruttando l'utilizzo di quaternioni duali, risolvendo simultaneamente la parte rotatoria e traslatoria della trasformazione. Si conclude il lavoro con una analisi dell'efficacia del metodo implementato su dati simulati e proponendo eventuali estensioni, allo scopo di poter riutilizzare in futuro il lavoro svolto nel software aziendale, con dati reali e con diversi tipi di telecamere, principalmente camere lineari o laser.

Ricostruzione di convessi e robotica

Questa tesi si è focalizzata sulla topologia robotica. In particolare, in questo elaborato si è voluto sottolineare l’importanza della topografia dei pezzi nella visione robotica. Siamo partiti dalle definizioni di politopo e di mappa gaussiana estesa, per poi passare ad alcuni punti chiave della robotica, quali la definizione di posa di un oggetto, di “peg in the hole”e di forma da X. Questi punti ci hanno permesso di enunciare i teoremi di Minkowski ed Alexandrov che sono stati poi utilizzati nella costruzione del metodo EGI. Questo metodo è stato quindi utilizzato per determinare l’assetto di un oggetto nello spazio e permettere quindi al braccio del robot di afferrarlo.

Caratterizzazione e progettazione di un attuatore differenziale elastico compatto per la robotica collaborativa

Lo sviluppo della robotica collaborativa, in particolare nelle applicazioni di processi industriali in cui sono richieste la flessibilità decisionale di un utilizzatore umano e le prestazioni di forza e precisione garantite dal robot, pone continue sfide per il miglioramento della capacità di progettare e controllare al meglio questi apparati, rendendoli sempre più accessibili in termini economici e di fruibilità. Questo cambio di paradigma rispetto ai tradizionali robot industriali, verso la condivisone attiva degli ambienti di lavoro tra uomo e macchina, ha accelerato lo sviluppo di nuove soluzioni per rendere possibile l’impiego di robot che possano interagire con un ambiente in continua mutazione, in piena sicurezza. Una possibile soluzione, ancora non diffusa commercialmente, ma largamente presente in letteratura, è rappresentata dagli attuatori elastici. Tra gli attuatori elastici, l’architettura che ad oggi ha destato maggior interesse è quella seriale, in cui l’elemento cedevole viene posto tra l’uscita del riduttore ed il carico. La bibliografia mostra come alcuni limiti della architettura seriale possano essere superati a parità di proprietà dinamiche. La soluzione più promettente è l’architettura differenziale, che si caratterizza per l’utilizzo di riduttori ad un ingresso e due uscite. I vantaggi mostrati dai primi risultati scientifici evidenziano l’ottenimento di modelli dinamici ideali paragonabili alla più nota architettura seriale, superandola in compattezza ed in particolare semplificando l’installazione dei sensori necessari al controllo. In questa tesi viene effettuata un’analisi dinamica preliminare ed uno studio dell’attitudine del dispositivo ad essere utilizzato in contesto collaborativo. Una volta terminata questa fase, si presenta il design e la progettazione di un prototipo, con particolare enfasi sulla scelta di componenti commerciali ed il loro dimensionamento, oltre alla definizione della architettura costruttiva complessiva.

Operazioni di assemblaggio automatizzato tramite robot antropomorfo e visione artificiale

Obiettivo dello studio condotto è l’implementazione di cicli di operazioni per l’assemblaggio automatizzato di componenti che costituiscono un sistema di trasporto a catena presente in alcune macchine automatiche. L’automazione del processo, fino ad oggi svolto manualmente, prevede l’utilizzo di un robot e, per il controllo di quest’ultimo, di un sistema di visione artificiale. L’attività di tirocinio associata alla tesi di laurea, che ha incluso una parte sperimentale oltre alla scrittura degli algoritmi di controllo del robot, è stata svolta all’interno del laboratorio TAILOR (Technology and Automation for Industry LabORatory) presso Siropack Italia S.r.l dove è presente una cella dotata di robot antropomorfo (Mitsubishi Electric) e di sistema di visione artificiale con camere 2D (Omron). La presenza di quest’ultimo è risultata strategica in termini di possibilità di adattare il montaggio anche a diversi posizionamenti degli oggetti all’interno dello spazio di lavoro, fermo restando che gli stessi risultassero appoggiati su una superficie piana. In primo luogo, affinché fosse garantita la ripetibilità del processo, sono state testate le prestazioni del sistema di visione tramite opportuna calibrazione della camera e del sistema di illuminazione ad esso collegata, al fine di ottenere un’acquisizione delle immagini che fosse sufficientemente robusta e risoluta mediante lo sfruttamento del software di elaborazione Omron FH Vision System. Un’opportuna programmazione della traiettoria del robot in ambiente di simulazione RT Toolbox 3, software integrato nel sistema di controllo del robot Mitsubishi Electric, ha infine consentito le regolari operazioni di assemblaggio, garantendo un processo affidabile ed, allo stesso tempo, adattabile ad ambienti eventualmente non strutturati in cui esso si trova ad operare.

Integrazione di algoritmi di visione basati su flusso ottico per il controllo di un velivolo senza pilota

Il lavoro svolto in questa tesi si colloca nell’area della robotica aerea e della visione artificiale attraverso l’integrazione di algoritmi di visione per il controllo di un velivolo senza pilota. Questo lavoro intende dare un contributo al progetto europeo SHERPA (Smart collaboration between Humans and ground-aErial Robots for imProving rescuing activities in Alpine environments), coordinato dall’università di Bologna e con la compartecipazione delle università di Brema, Zurigo, Twente, Leuven, Linkopings, del CREATE (Consorzio di Ricerca per l’Energia e le Applicazioni Tecnologiche dell’Elettromagnetismo), di alcune piccole e medie imprese e del club alpino italiano, che consiste nel realizzare un team di robots eterogenei in grado di collaborare con l’uomo per soccorrere i dispersi nell’ambiente alpino. L’obiettivo di SHERPA consiste nel progettare e integrare l’autopilota all’interno del team. In tale contesto andranno gestiti problemi di grande complessità, come il controllo della stabilità del velivolo a fronte di incertezze dovute alla presenza di vento, l’individuazione di ostacoli presenti nella traiettoria di volo, la gestione del volo in prossimità di ostacoli, ecc. Inoltre tutte queste operazioni devono essere svolte in tempo reale. La tesi è stata svolta presso il CASY (Center for Research on Complex Automated Systems) dell’università di Bologna, utilizzando per le prove sperimentali una PX4FLOW Smart Camera. Inizialmente è stato studiato un autopilota, il PIXHAWK, sul quale è possibile interfacciare la PX4FLOW, in seguito sono stati studiati e simulati in MATLAB alcuni algoritmi di visione basati su flusso ottico. Infine è stata studiata la PX4FLOW Smart Camera, con la quale sono state svolte le prove sperimentali. La PX4FLOW viene utilizzata come interfaccia alla PIXHAWK, in modo da eseguire il controllo del velivolo con la massima efficienza. E’ composta da una telecamera per la ripresa della scena, un giroscopio per la misura della velocità angolare, e da un sonar per le misure di distanza. E’ in grado di fornire la velocità di traslazione del velivolo, e quest’ultima, integrata, consente di ricostruire la traiettoria percorsa dal velivolo.

Robotica evolutiva: stato dell'arte e sviluppi futuri

Le azioni che un robot dovrà intraprendere per riuscire a portare a termine un determinato task non sono sempre note a priori. In situazioni dove l’ambiente in cui il robot si muove e con cui interagisce risulta impredicibile, variabile o persino ignoto, diventa pressocché impossibile progettare un algoritmo universale, che tenga conto di tutte le possibili variabili, avvalendosi dei metodi classici di programmazione e design. La Robotica Evolutiva (ER) è una branca della Computazione Evolutiva (EC) che si occupa di risolvere questo problema avvalendosi di specifici Algoritmi Evolutivi (EA) applicati alla robotica. Gli utilizzi della Robotica Evolutiva sono molteplici e spaziano dalla ricerca di soluzioni per problemi/task complessi allo studio e alla riproduzione di fenomeni fisiologici e biologici per riuscire a comprendere (o ipotizzare) l’evoluzione di alcuni tratti genetici presenti nel genere animale/umano. Lo scopo di questo elaborato è di predisporre una base, una visione generale per chiunque voglia intraprendere studi approfonditi nella Robotica Evolutiva, esaminando lo stato attuale delle sperimentazioni, gli obiettivi raggiunti e le sfide che ogni ricercatore di ER deve affrontare ogni giorno per riuscire portare questo campo di studi nel mondo reale, fuori dall’ambiente simulato e ideale.

Manipolazione robotica mobile per il settore agroalimentare - Pianificazione di traiettorie per la Sloshing Suppression

Movimentazione, da parte di un braccio robotico, di un recipiente riempito con un liquido nello spazio tridimensionale. Sistema di trasferimento liquidi basato sul KUKA youBot, piattaforma open source per la ricerca scientifica. Braccio robotico a 5 gradi di libertà con struttura ortho-parallel e cinematica risolvibile in forma chiusa tramite l’applicazione di Pieper. Studio dei modi di vibrare dei liquidi e modellizzazione dei fenomeni ondosi tramite modello equivalente di tipo pendolo. Analisi delle metodologie di controllo di tipo feed-forward volte a sopprimere la risposta oscillatoria di un tipico sistema vibratorio. Filtraggio delle traiettorie di riferimento da imporre allo youBot, in modo tale da sopprimere le vibrazioni in uscita della massa d’acqua movimentata. Analisi e comparazione delle metodologie di input shaping e filtro esponenziale. Validazione sperimentale delle metodologie proposte implementandole sul manipolatore youBot. Misura dell’entità del moto ondoso basata su dati acquisiti tramite camera RGBD ASUS Xtion PRO LIVE. Algoritmo di visione per l’elaborazione offline dei dati acquisiti, con output l’andamento dell’angolo di oscillazione del piano interpolante la superficie del liquido movimentato.

Sistema di guida robot per operazioni di pick and place

Uno dei fattori che ha favorito la diffusione della robotica è legato alla nascita, allo sviluppo e al perfezionamento dei sistemi di guida robot. Per guida robot si intende un sistema di visione artificiale capace di guidare un robot durante lo svolgimento di un determinato compito. All'interno di questo elaborato di tesi, verrà illustrato in dettaglio un sistema di guida robot realizzato per una operazione di pick and place 2D multistrato. Sebbene la procedura proposta sia stata sviluppata per risolvere un problema specifico, la sua validità è del tutto generale e può essere estesa anche ad altre applicazioni appartenenti alla stessa categoria.

Principi e metodi della robotica evolutiva

L’intelligenza artificiale, ovvero lo studio e la progettazione di sistemi intelligenti, mira a riprodurre alcuni aspetti dell’intelligenza umana, come il linguaggio e il ragionamento deduttivo, nei computer. La robotica, invece, cerca spesso di ricreare nei robot comportamenti adattativi, come l’abilità di manipolare oggetti o camminare, mediante l’utilizzo di algoritmi in grado di generare comportamenti desiderati. Una volta realizzato uno di questi algoritmi specificamente per una certa abilità, si auspica che tale algoritmo possa essere riutilizzato per generare comportamenti più complessi fino a che il comportamento adattativo del robot non si mostri ad un osservatore esterno come intelligente; purtroppo questo non risulta sempre possibile e talvolta per generare comportamenti di maggiore complessità è necessario riscrivere totalmente gli algoritmi. Appare quindi evidente come nel campo della robotica l’attenzione sia incentrata sul comportamento, perché le azioni di un robot generano nuove stimolazioni sensoriali, che a loro volta influiscono sulle sue azioni future. Questo tipo di intelligenza artificiale (chiamata propriamente embodied cognition) differisce da quella propriamente detta per il fatto che l’intelligenza non emerge dall’introspezione ma dalle interazioni via via più complesse che la macchina ha con l’ambiente circostante. Gli esseri viventi presenti in natura mostrano, infatti, alcuni fenomeni che non sono programmati a priori nei geni, bensì frutto dell’interazione che l’organismo ha con l’ambiente durante le varie fasi del suo sviluppo. Volendo creare una macchina che sia al contempo autonoma e adattativa, si devono affrontare due problemi: il primo è relativo alla difficoltà della progettazione di macchine autonome, il secondo agli ingenti costi di sviluppo dei robot. Alla fine degli anni ’80 nasce la robotica evolutiva che, traendo ispirazione dall’evoluzione biologica, si basa sull’utilizzo di software in grado di rappresentare popolazioni di robot virtuali e la capacità di farli evolvere all’interno di un simulatore, in grado di rappresentare le interazioni tra mente e corpo del robot e l’ambiente, per poi realizzare fisicamente solo i migliori. Si utilizzano algoritmi evolutivi per generare robot che si adattano, anche dal punto di vista della forma fisica, all’ambiente in cui sono immersi. Nel primo capitolo si tratterà di vita ed evoluzione artificiali, concetti che verranno ripresi nel secondo capitolo, dedicato alle motivazioni che hanno portato alla nascita della robotica evolutiva, agli strumenti dei quali si avvale e al rapporto che ha con la robotica tradizionale e le sue declinazioni. Nel terzo capitolo si presenteranno i tre formalismi mediante i quali si sta cercando di fornire un fondamento teorico a questa disciplina. Infine, nel quarto capitolo saranno mostrati i problemi che ancora oggi non hanno trovato soluzione e le sfide che si devono affrontare trattando di robotica evolutiva.

Interfaccia software di verifica e calibrazione a terra del sensore di terra di ESEO

In questo lavoro di tesi è stata validata una interfaccia grafica in ambiente Windows capace di impostare i parametri della camera Tau 320 FLIR, usata a bordo del satellite ESEO come sensore di terra. L'impostazione dei parametri passa, inoltre, attraverso l'hardware Discovery F4 e per questo è stato sviluppato e validato anche uno script in linguaggio C per la Discovery che fa comunicare il PC con la camera.

Apprendimento hebbiano in robotica: teoria e applicazione

Partendo dallo sviluppo della teoria dell'apprendimento Hebbiano, si delinea un percorso per la creazione di robot in grado di apprendere tramite architettura DAC e Value System.

Applicazione del linguaggio ad agenti Jason per la programmazione di alto livello di robot

I sistemi software rivestono nel campo dell'informatica un ruolo di fondamentale importanza. Negli ultimi anni una caratteristica richiesta ai sistemi è la decentralizzazione del controllo, nell'ottica di un sistema visto come connessioni di parti che possono interagire, e dove ciascuna parte possiede un certo grado di autonomia nella scelta delle attività che devono essere compiute. In tale contesto si introduce il paradigma degli agenti, in quanto include sia aspetti relativi ai modelli computazionali, sia aspetti relativi ai linguaggi. Nella tesi si esplora l'applicazione del linguaggio di programmazione Jason applicato alla programmazione dei controllori di robot. In particolare, si esplora ciò che riguarda il comportamento individuale dell'agente.

Realizzazione di una camera iperspettrale per uso industriale

Il lavoro svolto è stato commissionato dall’azienda CNI, la quale ha richiesto al Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’università di Bologna la costruzione di una camera iperspettrale per uso industriale. In questo elaborato sono descritte le tecniche di progettazione e realizzazione dell’apparato ottico, adatto ad indagare lunghezze d’onda nel range visibile. Questo apparato è composto da un obiettivo focalizzatore, uno spettroscopio e un sensore finale. La realizzazione pratica dello strumento è stata raggiunta attraverso tre fasi distinte: la calibrazione, l’assemblaggio e i test finali; ciò ha permesso di ottenere risultati in accordo con quelli previsti in fase di progettazione. Poiché i risultati ottenuti si sono rivelati conformi alle richieste dell’azienda, si è potuto procedere all’applicazione di una particolare copertura della camera iperspettrale. Questo procedimento di copertura e chiusura della camera è stato necessario sia per permettere all’azienda di svolgere test con lo spettroscopio in condizioni di elevata oscurità, sia per preservare i vari elementi ottici da movimenti meccanici esterni. Terminato così il lavoro, è stata consegnata all’azienda la camera chiusa. Essa sarà testata per l’analisi spettrale di campioni, che passano attraverso una linea illuminata di lunghezza 1 m e ad una distanza di 1,5 m, su un rullo autotrasportatore. In futuro è prevista anche la realizzazione di un’altra camera iperspettrale che indaghi le lunghezze d’onda nel vicino infrarosso.

Decision making nella robotica collettiva

Nel testo viene esposta la presa di decisione nella robotica collettiva, cioè il comportamento collettivo esibito dagli animali sociali in sciame migrato in un gruppo di robot. Questa tesi si prefigge di analizzare come un insieme di individui, all'interno di un gruppo, possano giungere tutti ad avere una stessa opinione comune, o come essi siano in grado di dividersi autonomamente il lavoro senza alcun bisogno di controllo centrale. Inizialmente, viene introdotta la robotica collettiva, esponendone origini, caratteristiche e ambiti di ricerca. Viene in seguito presentato il collective decision making, all'interno del comportamento collettivo generale, esponendone le origini biologiche fino ai primi esperimenti su dei semplici robot. Vengono poi analizzati i due aspetti del decision making, vale a dire il raggiungimento del consenso e la suddivisione del lavoro. Per entrambi gli argomenti, sono presentati studi sia di carattere biologico che robotico, allo scopo di trarne similitudini e differenze e realizzare una valida analisi critica. Infine, vengono esposti i possibili sviluppi del comportamento e della robotica collettiva, mostrando possibili scenari di utilizzo futuro e gli attuali limiti allo sviluppo.