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Sistemi di visione per la robotica: scenari, tendenze e prospettive

Negli ’90 – ’00 vengono introdotti i sistemi di visione per la manipolazione, la verifica e la caratterizzazione qualitativa dei pezzi lavorati (difettosità, controllo finale, rispetto delle specifiche geometriche, packaging). La visione 2D non è più sufficiente e si utilizzano sistemi 3D che permettono di risolvere problemi nuovi come la manipolazione di oggetti con forme/profili complessi, la raccolta da contenitori alla rinfusa, il packaging di prodotti di forme variabili con occlusioni parziali o totali. La taratura automatica può essere utilizzata per ricalibrare il sistema di visione quando, ad esempio, la linea di produzione deve essere fermata o modificata per eseguire modifiche nella lavorazione.

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Tavola Rotonda "Approcci innovativi e applicazioni della visione artificiale", Aosta, 2010

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da Alessia De Giosa
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Tavola Rotonda su  A i i ti i li i i Approcci innovativi e applicazion della visione artificiale Sala Cogne Pépinière d''Enterprises Espace Aosta Sala Cogne ' Pépinière d''Enterprises ' Espace  12 Novembre 2010 Sistemi di Visione per la Robotica  Sistemi di Visione per la Robotica S i S T d T P tti P Scenari  Scenari '' Tendenze  Tendenze '' rospe ve Prospetti B ili BONA Basilio  Dipartimento di Automatica e Informatica p f Politecnico di Torino in collaborazione con R b i d i li di i i b i i i d i Sommario ' Robot industriali e di servizio: brevissima introduz one  P tti (UE USA Gi ) ' Prospettive (UE, USA, Giappone ' Robot industriali e visione ' Robot industriali e  ' La visione nella robotica industriale: quali scenari ' La visione nella robotica industriale: quali    possibili' ' Sistemi di visione intelligenti in collaborazione con 2 Basilio Bona '' DAUIN '' Politecnico di Torino ' Il robot nasce ''industriale' ... Infatti è definito come Robot industriali e di servizio Il robot nasce  industriale  ... Infatti è definito  ' Si evolve ... e viene ora utilizzato in altri settori applicativi in collaborazione con 3 Basilio Bona '' DAUIN '' Politecnico di Torino ' The European Robotics Platform EUROP anticipates three key Scenari '' UE
' The European Robotics Platform EUROP anticipates three    research sectors Industrial Robotics Industrial Robotic Safety and Space  Safety and Space Robotics Robotic Service Robotics Service Robotic in collaborazione con 4 Service Robotics Service Robotic ' High quality and cost effective flexible manufacturing and Industrial Robotics
' High'quality and cost'effective flexible manufacturing    logistics in all major industrial branches ' These future robots will become the workers'' assistants serving  g them at the workplace.  in collaborazione con 5 ' La ricerca è finanziata dal Defense Advanced Research Projects Scenari '' USA
' La ricerca è finanziata dal Defense Advanced Research    Agency (DARPA) '' Homeland security systems y y '' UAV: Unmanned Aerial Vehicles
'' Autonomous vehicles for urban environment 
'' (DARPA challenge) '' Battlefield intervention systems in collaborazione con 6 ' Robot per intrattenimento gioco robot educativi Scenari '' Giappone
' Robot per intrattenimento, gioco, robot 
' Robot per l''assistenza di anziani, infermi e portatori di handicap in collaborazione con 7 ' I robot nascono per attività di manipolazione e lavorazione in ambienti Robot industriali e visione
' I robot nascono per attività di manipolazione e lavorazione in    pericolosi e/o in processi ripetitivi (saldatura, movimentazione  interpresse, verniciatura, deposizione materiale, packaging, ecc.).  ' La qualità della lavorazione è ottenuta garantendo una elevata  ripetibilità del braccio robotico, ma non si basa quasi mai su sensori  dell''ambiente di lavoro (sensori eterocettivi) dell ambiente di lavoro (sensori  in collaborazione con 8 ' Agli inizi degli anni ''80 vengono introdotti i primi sistemi di Robot industriali e visione
' Agli inizi degli anni  80 vengono introdotti i primi sistemi    visione robotica D:\Documenti\Slides\ 2010 Visione VdA\vis in collaborazione con 9 ' Le prime telecamere erano ingombranti, lente, delicate, di scarse  prestazioni (ad es. risoluzione e velocità), spesso costose e prestazioni (ad es. risoluzione e velocità), spesso costose    inaffidabili  ' Richiedevano un accurato set'up dell''illuminazione
' Gli algoritmi erano rudimentali, i risultati approssimativi  in collaborazione con 10 ' Grazie anche ai programmi di esplorazione spaziale autonoma si Un impulso dalle applicazioni spaziali
' Grazie anche ai programmi di esplorazione spaziale autonoma,    sviluppa uno sforzo di ricerca che porta a realizzare robot mobili  che atterrano sulla Luna e su Marte ' Per la movimentazione autonoma su Marte sono utilizzati sensori  avanzati, principalmente quelli di visione in collaborazione con 11 ' Da quelle esperienze nasce una serie di applicazioni per la Visione applicata alla guida automatica
' Da quelle esperienze nasce una serie di applicazioni per    robotica mobile e di servizio ' Queste permettono lo sviluppo di tecniche fondate sul  p pp trattamento sofisticato delle immagini che provengono da  sensori eterocettivi, principalmente telecamere, laser scanners e  Lidar in collaborazione con 12 LADAR = Laser Detection And Ranging LIDAR = Light Detection And Ranging LIDAR = Light Detection And in collaborazione con 13 in collaborazione con 14 in collaborazione con 15 ' Negli anni ''90 '' ''00 si introducono sistemi di visione per la Robot industriali e visione
' Negli anni  90 '' 00 si introducono sistemi di visione per    manipolazione, la verifica e la caratterizzazione qualitativa dei  pezzi lavorati (difettosità, controllo finale, rispetto delle  ifi h t i h k i ) specifiche geometriche, packaging, ... ' Industrie che utilizzano la visione Elettroniche ''
'' Metalmeccaniche
'' Farmaceutiche
'' Alimentari
'' Tessili
'' Vetrarie
'' Ecc ... in collaborazione con 16 ' La visione 2D non è più sufficiente e si utilizzano sistemi 3D che Robot industriali e visione
' La visione 2D non è più sufficiente e si utilizzano sistemi 3D,    permettono di risolvere problemi nuovi '' Manipolazione di oggetti con forme/profili complessi p gg p p '' Raccolta da contenitori alla rinfusa (ad altezze variabili)
'' Packaging di prodotti di forme variabili con occlusioni parziali o  li tota '' Controllo della difettosità tridimensionale in collaborazione con 17 ' Questi vantaggi hanno un costo: la taratura del sistema di visione Le problematiche della visione 3D
' Questi vantaggi hanno un costo: la taratura del sistema di    3D può essere assai complesso e richiedere tempo ' L''accuratezza del sistema dipende dalla distanza tra le due ' L accuratezza del sistema dipende dalla distanza tra le    telecamere e dall''angolo formato tra loro e l''oggetto ' La precisione del set p è essen iale e non facilmente ' La precisione del set'up è essenziale e non    mantenibile in un ambiente industriale ' i t t i ità di t t d l i t di ' ' importante assicurare una capacità di taratura del sistema    visione che sia ''robusta', per esempio usando oggetti noti come  standard di calibrazione ' La taratura automatica può essere utilizzata per ricalibrare il  sistema di visione quando, ad esempio, la linea di produzione  q , p , p deve essere fermata o modificata per eseguire modifiche nella  lavorazione in collaborazione con 18 Taratura in collaborazione con 19 ' La visione stereo richiede inoltre un buon contrasto tra l'oggetto Le problematiche della visione 3D La visione stereo richiede inoltre un buon contrasto tra l   e lo sfondo, e quindi soluzioni d'illuminazione pensate ad hoc  oppure luce strutturata e/o non visibile (IR) ' La triangolazione laser può operare con successo in illuminazione  ambientale senza necessità di contrasto
Gli ili i d id i i i ' Gli utilizzatori devono considerare con attenzione i propr   requisiti per sviluppare soluzioni adeguate ' Tuttavia i sistemi di visione rappresentano l''approccio sensoriale ' Tuttavia i sistemi di visione rappresentano l approccio    più promettente per la robotica industriale e ''di servizio' ' Caratteristiche dei sistemi di visione ' Caratteristiche dei sistemi di  '' Scalabilità (1D '' 2D '' 3D)
'' Versatilità/riconfigurabilità / g '' Intelligenza '' autonomia in collaborazione con 20 Fattori che influenzano la visione Illuminazione e contrasto Fattori di scala Sfondo Distorsione ottica Point'of'view Caratteristiche superficiali di finitura di finitur Occlusioni parziali o totali Assetti diversi Traslazioni Spaziali  parziali o total degli oggetti  in collaborazione con 21 ' La scienza della visione si è sviluppata considerando con La visione artificiale come integrazione di hardware e software La scienza della visione si è sviluppata considerando con  attenzione il meccanismo della visione umana ' Quest''ultimo  si basa su un sensore sofisticato e un processore  p robusto che si è affinato nel corso dell''evoluzione umana '' gran parte del cervello è infatti dedicata alla ''gestione' degli stimoli  i li i i d ll'' hi sensoriali provenienti dall''occ o '' la visione umana costruisce modelli che permettono di fare  continue previsioni del mondo dinamico in cui operiamo continue previsioni del mondo dinamico in cui  sensore sensor algoritmi algo trasmissione tr in collaborazione con 22 ' Le soluzioni sviluppate per la robotica di servizio individuano Prospettive
' Le soluzioni sviluppate per la robotica di servizio    alcune tendenze che possono trovare applicazione nella robotica  industriale ' Esse si basano principalmente, ma non esclusivamente, sulla  visione 3D ' Tendono spesso ad integrare anche altri tipi di sensori (laser,  ultrasuoni, LED) ' Richiedono algoritmi sofisticati (visione intelligente), spesso basati  sulla comprensione del sistema cognitivo umano (algoritmi  cognitivi) in collaborazione con 23 ' Guida automatica e obstacle avoidance Applicazioni nella robotica di servizio
' Guida automatica e obstacle avoidance
' Ricostruzione sintetica di ambienti: map reconstruction
' Auto'localizzazione e mapping simultanei (SLAM)
' Identificazione e tracking di persone/oggetti in movimento ' Identificazione e tracking di persone/oggetti in 
' Point registration: rototraslazioni ottime tra features
' Classificazione automatica di oggetti (semantic labelling) in collaborazione con 24 Semantic labelling in collaborazione con 25 Esempio Crime scene analysis in collaborazione con 26 Time'of'flight camera in collaborazione con 27 Ricostruzione automatica 3D in collaborazione con 28 ' Misure tridimensionali Applicazioni alla robotica industriale
' Misure tridimensionali
' Ispezione di parti a geometria complessa i ifi i i d i i ' Pianificazione automatica dei percors
' Calibrazione automatica dei fissaggi
' Categorizzazione automatica di oggetti 
' Riconoscimento di gesti g ' Interazione avanzata uomo'macchina
' Sicurezza attiva ' Sicurezza 
' Guida robot assistita in collaborazione con 29 ' Bryan Boatner Product Marketing Manager Cognex : enhancements in vision Qualche previsione '' I
' Bryan Boatner, Product Marketing Manager, Cognex : enhancements in    has led to more accurate part'finding algorithms on vision sensors that 
accurately and repeatably find objects, even if variations in lighting exist or if 
the presence of machine oil, paint, cleaning solvents or other substances 
obscure a part or change its appearance. ' In the next five years, I think you are going to see a similar increase in the  adoption rate of three'dimensional (3D) vision'guided robots as there has 
been in the past five years with two'dimensional (2D) vision applications
. been in the past five years with two dimensional (2D) vision applications  
More 3D tools will become available as standard tool sets from both robot and 
vision manufacturers ' Adil Shafi, President of SHAFI, Inc:   since 2000, there has been a dramatic shift  in 3D vision applications and a growing level of market acceptance of vision as 
viable technology Innovations in 3D vision have led to widespread deployment viable technology. Innovations in 3D vision have led to widespread    of auto'racking systems.  http://www.robotics.org in collaborazione con 30 ' Karl Sachs of Robot and Vision Manufacturing: end users want ease of Qualche previsione '' II
' Karl Sachs of Robot and Vision Manufacturing: end'users want ease    operation and they do not want to spend a lot of time teaching the system to 
do its tasks ' Embedding the vision into the robot, where the actual image and operator  menu appear on the operator pendant, makes for easier and faster 
integration ' By embedding vision systems into robots, multiple robots can be tied together  f h f b k h d h l ll so if the first robot misses picking up a part, the next one down the line wi  
pick it up in collaborazione con 31 ' Pierre Huot President of Meta Vision Systems Inc Montreal Quebec: End Qualche previsione '' III
' Pierre Huot, President of Meta Vision Systems, Inc., Montreal, Quebec:  ' users would like compactness of the actual sensor itself. Since most cameras 
are attached to the end'of'arm'tool, users want the camera as small as 
possible 
so it can get into tight spaces. Not all robots can support high'speed, 
real'time, three'dimensional position information and end'users want robots 
to have real'time position data to have real time position  ' Garry Sperrick, Sales Manager at Progressive Machine and Design, LLC, Victor,  New York: end'users would like to have networking and wireless New York: end users would like to have networking and    communication between the robot and the vision system, rather than Ethernet 
or canned communication. In addition, if the vision system lacks a monitor,  t i ht t k h t th i i t i d i operators might not know what the vision system is do ng.  ' If the system has a remote display, understanding an error message would be  easier A small display like those on cell phones would ease operation of vision easier. A small display like those on cell phones would ease operation of    systems. in collaborazione con 32 ' Greg Garmann Software and Controls Technology Leader at Motoman: the Qualche previsione '' IV
' Greg Garmann, Software and Controls Technology Leader at Motoman:    trend will continue with increasing processing speeds of vision systems as well 
as better and faster interfacing of cameras.  ' I see wireless cameras simplifying the connections by relieving the need to be  hard'wired to a communication port on the robot.  ' Wireless cameras will help in reducing wire stress and failures in  communication between the robot and the vision system in collaborazione con 33


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