Βαθμονόμηση ρομποτικού βραχίονα – μηχανικής όρασης και σχεδιασμός συστήματος ελέγχου παρακολούθησης τροχιάς
Authors: Αρίστος Δημήτριος 
Published: September 2021

Η διατριβή πραγματεύεται την μελέτη, υλοποίηση κι αξιολόγηση υπολογιστικών αλγορίθμων, ο συνδυασμός των οποίων χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη και κατασκευή ρομποτικών βιομηχανικών εφαρμογών που στοχεύουν στην παρακολούθηση κινούμενων αντικειμένων από το άκρο ενός βιομηχανικού ρομποτικού βραχίονα με βάση την πληροφορία (ανάδραση) που λαμβάνεται από μία ή περισσότερες ψηφιακές κάμερες. Η κατηγορία αυτών των ρομποτικών εφαρμογών αναφέρεται στην διεθνή βιβλιογραφία ως «visual servoing» και αποτελεί αντικείμενο έρευνας για πολλά χρόνια. Στις περισσότερες περιπτώσεις μία ή περισσότερες ψηφιακές κάμερες παρατηρούν κάποιο χαρακτηριστικό σημείο ενός κινούμενου αντικειμένου (πχ γωνία ή οπή) και χρησιμοποιώντας κάποιο μοντέλο ελέγχου μεταφράζουν την μεταβολή στις μετρήσεις των καμερών σε μια αντίστοιχη κίνηση του άκρου του ρομποτικού βραχίονα. Αντικείμενο έρευνας της διατριβής είναι η σχεδίαση και δημιουργία ρομποτικών συστημάτων παρακολούθησης τροχιάς, όπου το παρατηρούμενο αντικείμενο δεν έχει εμφανή χαρακτηριστικά υφής τα οποία μπορούν ν’ ανιχνευθούν και να μετρηθούν από τους κλασικούς αλγορίθμους επεξεργασίας εικόνας. Οι περιπτώσεις αυτές είναι πολύ συχνές σε βιομηχανικές εφαρμογές όπου απαιτείται η παρακολούθηση κι επεξεργασία κινούμενων αντικειμένων με έντονες καμπύλες και ελάχιστα χαρακτηριστικά σημεία.Η μελέτη κι ενασχόληση με το παραπάνω αντικείμενο είχε σαν αποτέλεσμα την ανάπτυξη κι εφαρμογή καινοτόμων τεχνικών και μεθοδολογιών, οι οποίες συνέβαλαν στην υλοποίηση του ρομποτικού συστήματος παρακολούθησης τροχιάς. Η πρώτη καινοτομία αφορά την χρησιμοποίηση μετρήσεων ανακατασκευής σημείων για τον υπολογισμό της σχετικής θέσης και προσανατολισμού του άκρου ενός βιομηχανικού ρομποτικού βραχίονα και ενός συστήματος μηχανικής όρασης, το οποίο είναι σταθερά στερεωμένο στο άκρο του βραχίονα. Ο υπολογισμός της σχετικής θέσης και προσανατολισμού ενός συστήματος μηχανικής όρασης και ενός βιομηχανικού ρομποτικού βραχίονα αναφέρεται στην διεθνή βιβλιογραφία ως «Hand-Eye Calibration» και «Robot-World Calibration» και σε όλες τις περιπτώσεις χρησιμοποιεί τους μετασχηματισμούς από την βαθμονόμηση των καμερών. Η νέα μέθοδος ανακατασκευής σημείων έδωσε συνολικά καλύτερα αποτελέσματα σε σύγκριση με τις υπάρχουσες κλασσικές μεθόδους που χρησιμοποιούν μετασχηματισμούς βαθμονόμησης κάμερας, αποδεικνύοντας με αυτό τον τρόπο την ανωτερότητά της.Η δεύτερη καινοτομία αφορά την χρήση προηγμένων αλγορίθμων υπολογισμού θέσης και προσανατολισμού ενός παρατηρούμενου αντικειμένου χωρίς ιδιαίτερα χαρακτηριστικά υφής (πχ οπές ή γωνίες). Ο υπολογισμός πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τα κατασκευαστικά δεδομένα CAD του αντικειμένου καθώς κι ένα πλήθος δεδομένων ανακατασκευής σημείων από την επιφάνειά του, τα οποία προέρχονται από μετρήσεις μιας μετρητικής κεφαλής αποτελούμενης από μια ψηφιακή κάμερα κι ένα λέιζερ πολλαπλών γραμμών. Οι συντεταγμένες των ανακατασκευασμένων σημείων και τα αντίστοιχα CAD δεδομένα της επιφάνειας του αντικειμένου σχετίζονται μεταξύ τους με την εφαρμογή ενός επαναληπτικού αλγορίθμου ICP. Για την βελτιστοποίηση της χρονικής απόκρισης του αλγορίθμου τα CAD δεδομένα έχουν ομαδοποιηθεί με την χρήση δυαδικών δένδρων K-D trees, έτσι ώστε οι υπολογισμοί ελάχιστης απόστασης που απαιτούνται από τον αλγόριθμο ICP να επιταχύνονται σημαντικά. Η εφαρμογή τέτοιων προηγμένων μεθόδων υπολογισμού θέσης και προσανατολισμού κινούμενων αντικειμένων είναι μια καινοτομία στον χώρο των ρομποτικών συστημάτων παρακολούθησης τροχιάς.Η διατριβή αυτή αποτελεί σημαντική συνεισφορά στην επιστήμη και τεχνολογία του αυτομάτου ελέγχου, ρομποτικής και μηχανικής όρασης προτείνοντας νέες αρχιτεκτονικές στη σχεδίαση ρομποτικών εφαρμογών παρακολούθησης τροχιάς κινούμενου αντικειμένου και προσφέρει νέες μεθοδολογίες με πολλαπλές χρήσιμες εφαρμογές. Όλες οι καινοτόμες μέθοδοι που αναπτύχθηκαν τεκμηριώνονται θεωρητικά και μαθηματικά, ενώ τα πειραματικά αποτελέσματα αποδεικνύουν την εφικτότητα και την ακρίβεια που προσφέρουν, καθώς και την γρήγορη χρονική απόκρισή τους που τις κάνει ελκυστικές σε πραγματικές ρομποτικές εφαρμογές.Αντικείμενο μελλοντικής εργασίας αποτελεί η περαιτέρω επιτάχυνση του ρομποτικού συστήματος παρακολούθησης τροχιάς, χρησιμοποιώντας μεθόδους παράλληλης επεξεργασίας σε πολυπύρηνους επεξεργαστές. Στόχος είναι η επίτευξη μεγαλύτερων ταχυτήτων απόκρισης του συστήματος παρακολούθησης, έτσι ώστε ο ρομποτικός βραχίονας να είναι σε θέση να παρακολουθεί αντικείμενα που κινούνται στον χώρο με μεγαλύτερες ταχύτητες. Επίσης αντικείμενο μελλοντικής εργασίας αποτελεί η επίτευξη μιας συνεχούς ομαλής κίνησης παρακολούθησης από τον βραχίονα, όπου ο υπολογισμός της θέσης του κινούμενου αντικειμένου και η διόρθωση τροχιάς του βραχίονα θα πραγματοποιούνται σε συνεχή χρόνο με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Τέλος, είναι πιθανή η χρήση κάποιου καταλληλότερου για συστήματα συνεχούς χρόνου νόμου ελέγχου, ο οποίος θα περιλαμβάνει λειτουργίες πρόβλεψης κατάστασης για την αντιστάθμιση του φαινομένου υστέρησης του συστήματος.