Interfacce di realtà aumentata a supporto della programmazione di manipolatori robotici = Augmented reality interfaces to support robotic manipulator programming

Questo lavoro di tesi si pone l’obiettivo di progettare e sviluppare un’applicazione basata su tecnologie di realtà aumentata per la definizione del path planning di manipolatori industriali mediante una cosiddetta 3DUI (three dimensional user interface). L’interfaccia permette all’utente di inserire, cancellare e manipolare i way point che definiscono il cammino del manipolatore. Essendo la semplicità d’uso uno dei fattori determinanti nella scelta della Realtà Aumentata rispetto ad altre tecnologie, le funzioni sopra citate sono realizzate in modo da poter essere utilizzate da chiunque abbia dimestichezza con un dispositivo dotato di touch screen senza dover necessariamente avere delle competenze nell’ambito della programmazione robotica. Le limitazioni causate dalla forma bidimensionale dello schermo del dispositivo sono state superate con l’utilizzo di pulsanti e metafore grafiche composte da frecce e gimbal in modo da permettere di posizionare e orientare l’end effector del manipolatore in maniera analoga a quanto avviene nei più diffusi game engine e software di modellazione 3D. Il sistema si compone di un client, realizzato in Unity con l’ausilio della libreria di Realtà Aumentata Vuforia e di comunicazione distribuita ROSSharp, e di un server ROS sviluppato in Python che realizza il motore di cinematica inversa e si occupa di trasformare la lista di punti ricevuta nel vero e proprio cammino del manipolatore. Rispetto ad altri sistemi simili già sviluppati, che permettono di selezionare solo posizioni sul piano di lavoro o su multipli di quantità predefinite, questo progetto ha come obiettivo quello di dare la possibilità di posizionare punti con orientamento e posizione a piacere con 6 gradi di libertà. Al fine di raggiungere tale scopo viene mostrata a runtime la posizione che l’end effector andrà ad assumere in corrispondenza dei riferimenti tracciati dall’utente tramite una sua rappresentazione virtuale. Altra componente fondamentale dell’applicazione è la funzione di previsualizzazione, la quale produce un’animazione del modello del robot virtuale che ricalca il movimento che la sua copia reale eseguirà a seguito della definizione dei way point. In questo modo viene consentita la modifica del movimento del manipolatore prima che esso venga realmente eseguito incrementando così la sicurezza del sistema di programmazione del robot. È inoltre presente un sistema di rilevamento di collisioni con ostacoli in posizioni note che avverte l’utilizzatore marcando il percorso come non valido e impedendone l’esecuzione senza previa modifica. La precisione dell’interfaccia virtuale è stata successivamente valutata eseguendo dei test in cui i partecipanti avevano il compito di posizionare due punti in corrispondenza di artefatti reali e prendendo la distanza rispetto a un riferimento comune descritto dal centro della base del manipolatore. Tali artefatti sono muniti di indicatori che specificano l’orientamento con il quale si desidera far giungere l’end effector a destinazione e hanno altezze diverse a seconda del livello di complessità. Sono stati pensati cinque task a difficoltà crescente i cui criteri di giudizio consistono nella differenza tra la posizione e l’orientamento proposti con l’oggetto reale e quelli raggiunti con l’interfaccia AR.