Contesto: robotica in zone ad alto rischio
Esistono contesti in cui è fondamentale che i robot sostituiscano l’intervento umano, come quando si tratta di intervenire in zone ad alto rischio: sul fondo degli oceani, nello spazio o in ambienti caratterizzati da condizioni difficili come climi estremi, topografia, radioattività.
Génération Robots commissionata dal CEA per lavorare nel campo della robotica in ambienti radioattivi
Génération Robots lavora dunque, da molti anni con il CEA (Commissariato per l’energia atomica e le energie alternative), con l’obiettivo di migliorare le condizioni di lavoro degli operatori nel settore nucleare. Nel 2015 e 2016, Generation Robots aveva già collaborato con il CEA nella creazione di pack di comportamenti per scenari come ” ispezioni”, “manipolazione di materiali radioattivi” o “incidenti nucleari”. Per ottenere maggiori informazioni sul progetto “Robot umanoidi d’ispezione e la bonifica in ambienti con scatole guanto nucleari”, consulta il seguente documento.
Robot umanoide per ispezione e bonifica in scatola a guanti nucleare
Estratto— Questo lavoro presenta una valutazione dell’opportunità di utilizzare robot umanoidi in contesti nucleari. Il progetto ha utilizzato la piattaforma DaRwIn-OP, apportando le modifiche necessarie per trasformarla in un operatore di intervento in ambiente nucleare.
I due principali ambiti di lavoro hanno riguardato l’integrazione di un sensore per la misurazione radiologica sull’umanoide e il controllo dei bracci tramite una telecamera a campo profondo.
I test effettuati mostrano la capacità di eseguire misurazioni radiologiche tramite il sensore integrato e la realizzazione di tamponi per valutare la contaminazione di un oggetto.
Robot Darwin-OP sta realizzando un tampone per valutare la contaminazione di un oggetto
Un altro studio di questo tipo era stato realizzato dal nostro ufficio di progettazione robotica (GR Lab) con un robot a zampe, il robot hexapode PhantomX.
Ultimo progetto CEA/Génération Robots: teleoperazione di un braccio robotico per lo smantellamento nucleare
Per questo nuovo progetto (2017), l’obiettivo era permettere a un operatore remoto di effettuare operazioni di smantellamento tramite teleoperazione di un braccio robotico montato su una piattaforma mobile.
In questo progetto, ci sono stati assegnati 3 obiettivi, ognuno corrispondente a un tipo di compito:
- Teleoperazione: controllo articolare e cartesiano del braccio robotico tramite interfaccia grafica e joystick 6D;
- Sequenze: registrazione e riproduzione di traiettorie e sequenze di operazioni complesse;
- Sorveglianza: feedback video tramite telecamera per oggetti e ambiente, sensore di forza 6D, pianificazione su modello 3D.
Il progetto è stato suddiviso in 2 fasi:
- Parte Hardware (architettura hardware)
- Parte Software (architettura software)
Assemblaggio e personalizzazione del braccio robotico (parte Hardware)
Braccio robotico per lo smantellamento nucleare
Abbiamo utilizzato un braccio robotico dotato di 6 gradi di libertà, utile per le operazioni di smantellamento (in particolare per le operazioni di taglio tramite una sega circolare adattata all’estremità del braccio).
Questo braccio con 6 gradi di libertà è costituito da moduli Schunk PRL. Qual è il motivo di questa scelta? Un rapporto massa/potenza molto elevato rispetto agli altri bracci robotici presenti sul mercato.
Il controllo avviene tramite bus CAN, un sistema che consente ai diversi sensori e attuatori di una piattaforma robotica di comunicare tra loro grazie all’integrazione di schede elettroniche, riducendo notevolmente la quantità di cavi (fondamentale per un braccio articolato affinché i cavi non si aggrovigliano e non si strappino).
Per riuscire a rilevare ostacoli in tempo reale, il nostro team ha sviluppato uno script che calcola il valore della coppia esercitata su ogni articolazione del braccio Schunk. Se il valore è troppo elevato, significa che il braccio sta incontrando un ostacolo.
Due telecamere sono state installate su questa piattaforma:
- Una telecamera montata sull’utensile , posizionata sul braccio robotico, con controllo di messa a fuoco/zoom/iris, necessaria per l’esecuzione corretta delle operazioni da svolgere;
- Una telecamera ambientale, di tipo dome, che permette all’operatore di osservare l’ambiente in cui si muove il robot mobile. Questa telecamera sarà fissata al soffitto della stanza esplorata o all’estremità di una barra montata sul robot.
Aggiunta di un sensore di forza
Installazione di un sensore di forza, che misurerà le forze X/Y/Z e i momenti MX/MY/MZ sull’utensile.
Necessario affinché il braccio robotico adatti i suoi movimenti all’ambiente circostante (ostacoli, tipo di materiale, ecc.).
Sono stati introdotti due tipi di teleoperazione:
- Un’interfaccia grafica (IHM – Interfaccia Uomo-Macchina): con la possibilità di un controllo articolare e cartesiano (posizione/velocità) tramite l’interfaccia grafica.
- Un joystick 6D (con 6 gradi di libertà, come il braccio robotico): per eseguire teleoperazione cartesiana (determinazione della posizione di un punto in uno spazio grazie a un sistema di coordinate cartesiane). È stato creato un sistema di ritorno di forza in tempo reale (sistema aptico), in modo tale che l’utente possa sapere quando si avvicina ai limiti fisici del robot, che sono stati definiti nell’interfaccia.
Illuminazione e sicurezza
Il robot deve essere in grado di illuminare il suo ambiente, quindi sono state installate luci controllabili sull’utensile e sulla base.
Sono stati inoltre installati dai nostri ingegneri diversi dispositivi di sicurezza, come un sistema di heartbeat, che verifica che ci sia sempre una connessione costante tra il PC di controllo e il braccio robotico. È stato anche aggiunto un pulsante di arresto d’emergenza e un sensore per porte dagli utenti finali; quest’ultimo consente di verificare lo stato di apertura delle porte (aperte o chiuse).
Creazione dell’architettura Software
Middleware ROS
Lo sviluppo generale di questo progetto con braccio teleoperato in ambiente radioattivo è stato realizzato con il middleware ROS, con lo scopo di massimizzare la modularità del sistema e accelerare gli sviluppi utilizzando l’ecosistema di librerie esistenti.
Se desideri saperne di più sul middleware ROS, con cui abbiamo molta esperienza, non esitare a consultare il nostro articolo di approfondimento sull’argomento: Cos’è ROS? ?
Comunicazione a basso livello
La comunicazione a basso livello consente di organizzare e semplificare la trasmissione dei dati tra il computer principale e i vari componenti come gli attuatori, le luci LED, i sensori e altri componenti elettronici. Per la comunicazione con il braccio robotico, abbiamo utilizzato il protocollo ROS_CANopen.
MoveIt è la libreria standard di pianificazione del movimento utilizzata da ROS, che abbiamo impiegato per la cinematica inversa e la pianificazione delle traiettorie. Questa libreria è stata sviluppata da Willow Garage (che ha creato anche ROS). MoveIt è completamente integrata in ROS.
Abbiamo apportato modifiche per ottimizzare la pianificazione di traiettorie cartesiane complesse e migliorare la capacità di prevedere e evitare gli ostacoli.
Interfaccia di controllo
Utilizzo della libreria PySide per lo sviluppo dell’interfaccia grafica con una comunicazione ROS verso tutti i moduli C++ che gestiscono gli aspetti critici. PySide è un modulo open source che permette di collegare il linguaggio Python con la libreria Qt. Qt è un’API orientata agli oggetti sviluppata in C++ che offre componenti per interfacce grafiche, accesso ai dati, connessioni di rete, ecc.
- Registrazione e lettura di sequenze: possibilità di registrare e riprodurre punti o traiettorie, di comporre sequenze complesse con manipolazione dell’utensile e del sensore di forza;
- Meccanismi di riflesso: monitoraggio automatico dei valori del sensore di forza e dei momenti articolari con attivazione di traiettorie di riflesso parametriche (ritorno indietro fino a un tempo o una distanza target).
Base mobile: robot Husky
La base mobile scelta per questo progetto è il robot Husky, una piattaforma mobile con buone prestazioni anche in condizioni difficili. Dotata da un telaio a quattro ruote motrici potenti, è rapidamente personalizzabile e può muoversi su terreni accidentati, in condizioni estreme (grado di protezione IP44).
Il nostro ufficio di progettazione “GR Lab” , sviluppa soluzioni innovative e su misura per professionisti (progetti robotici, intelligenza artificiale…) come quello realizzato per EDF.