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M. De Cecco - Lucidi del corso di Robotica e Sensor Fusion

Robotica e Sensor Fusion per i Sistemi Meccatronici

Prof. Mariolino De Cecco, Ing. Luca Baglivo, Ing. Mattia Tavernini

Department of Structural Mechanical Engineering, University of Trento

Email: [email protected]

http://www.mariolinodececco.altervista.org/


Cosa è un Robot?

Definizione di robot


Nel 1921 il termine ROBOT è stato introdotto dal commediografo ceco Karel Čapek che scrisse il dramma “I Robot Universali di Rossum (R.U.R.)” coniando il termine robot dallo slavo ROBOTA che significa lavoro esecutivo (l’automa nella finzione finisce per ribellarsi all’uomo)

Negli anni 1940 lo scrittore russo Isaac Asimov nei suoi libri concepì i robot come automi dalle sembianze umane ma privi di sentimenti. Il loro cervello veniva programmato dall’uomo secondo precise leggi di condotta etica:

1. Un robot non può far male ad un essere umano né consentire, restando inoperoso, che un essere umano si trovi in pericolo

2. Un robot deve obbedire agli ordini impartiti da esseri umani, a meno che tali ordini non entrino in conflitto con la prima legge

3. un robot deve proteggere la sua esistenza a meno che tale protezione non vada in conflitto con la prima o la seconda legge




La letteratura fantascientifica ha condizionato l’immaginario delle persone non appartenenti al mondo dell’ingegneria le quali immaginano i robot come androidi che parlano e camminano (alcuni industriali ancora preferiscono robot antropomorfi rispetto a quelli cartesiani anche se meno adatti all’applicazione)

Attualmente non c’è una definizione comunemente accettata.

Tipicamente si considera robot qualsiasi macchina che, indipendentemente dal suo aspetto esteriore, è capace di essere riprogrammata per eseguire una serie di compiti in cui ci sia una interazione con l’ambiente nel quale opera

Un robot viene da molti definito come quel sistema in grado si operare una connessione intelligente tra percezione ed azione

Dal punto di vista funzionale si può definire robot quella macchina automatica/autonoma la cui applicazioni differiscono di genere da quelle pensate dal progettista della macchina stessa


Il robot è dunque un sistema in grado di eseguire:

PERCEZIONE

PIANIFICAZIONE

AZIONE



I campi dell’ingegneria che sono coinvolti:

MECCANICA

ELETTRONICA

INFORMATICA

Definizione di robotica


Il Robot da un punto di vista sistemistico


Categorie di Robot

• Manipolatori MAN

• Veicoli mobili AGV

• Aeorobot UAV

• Robot free-flying RFF

• Umanoidi

• Robot ispirati al mondo animale

• …


Il Robot da un punto di vista sistemistico

Ambiente strutturato Ambiente NON strutturato

Pochi sensori Molti sensori (anche ridondanti)

SENSORFUSION


MANIPOLATORIVEICOLIMOBILI

RICOSTRUZIONEAMBIENTE

LASER + VISIONE

SENSORFUSION

Introduzione – ARGOMENTI TRATTATI NEL CORSO


Prendiamo a riferimento una applicazione per

veicoli autonomi

Il veicolo arriva in una posizione finale stimando mediante odometria di essere in P1 (con relativa incertezza espressa dall’ellisse corrispondente)

Un sistema di misura a triangolazione gli comunica che si trova in P2 (con relativa incertezza espressa dall’ellisse corrispondente)

DOVE IL ROBOT STIMA DI ESSERE?

Dove sono?

?

Dove sto andando?

Cosa significa SENSOR FUSION

P1

P2


Sistemi Olonomi e non olonomi

Nei manipolatori un estremo è vincolato rigidamente ad una base, all’altro estremo è fissato un organo terminale (end effector).

Conoscendo la variabile connessa con ogni giunto (variabile di giunto: angolo per i rotoidali, posizione relativa per i prismatici) la posizione ed orientazione (posa o postura) dell’organo terminale sono univocamente determinati

Nel caso dei robot mobili non si hanno vincoli rigidi che ne vincolano la posizione in maniera univoca, bensì ruote (generalmente) che determinano un vincolo di velocità

Conoscendo la variabile connessa con ogni giunto (angolo complessivo di rotazione della ruota) non si ha nessuna informazione circa la posa del veicolo


Allo scopo di testare milioni di reagenti per determinare le miscele più adatte alla definizione di nuovi farmaci è necessario l’intervento di macchine automatiche riprogrammabili.• Mediante operazioni effettuate da utenti umani è possibile verificare circa 30 miscele al giorno• Mediante l’intervento dei robot il numero sale a 10000 in un giorno

Altri vantaggi sono:• si evitano operazioni ripetitive e quindi alienanti per una persona• si evita la manipolazione di reagenti pericolosi (ad esempio radioattivi, corrosivi, etc)• si possono controllare in maniera automatica le condizioni ambientali (ad esempio la temperatura) Svantaggio:• tutto il sistema deve essere strutturato in maniera molto più rigida rispetto al caso umano (sistemi di immagazzinamento materie prime e composti, manipolazione ed inserzione). Dunque l’azienda deve sostenere un maggiore costo iniziale a fronte di un vantaggio a medio-lungo periodo

Applicazioni – Robot in campo Farmaceutico


Applicazioni – Robot per trasporto merci


Veicoli robotici da campo

I veicoli robotici sono sviluppati sia per applicazioni militari che spaziali e civili per uso in terreni primitivi, cioè senza strade di alcun tipo.

L’esperienza sviluppata per i veicoli autonomi “fuori-strada” è utilizzata in altri settori come l’agricoltura, l’attività mineraria, le costruzioni, e gli interventi in ambienti pericolosi


Correre e Saltare

Nell’evoluzione della robotica c’è una lunga tradizione di fare ricorso a imitazioni di sistemi biologici. I laboratori di ricerca giapponesi sono stati e sono molto interessati alla “bio-mimetica”, ottenendo importanti successi.


Un robot circolare soffice capace di strisciare e saltare

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