ITUB20159767A1 - Manipolatore, in particolare per il prelievo di oggetti collocati in un cestone - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un manipolatore per il prelievo di oggetti, in particolare oggetti collocati in un cestone in spazi ridotti.

L'invenzione sarà descritta con riferimento ad una specifica applicazione, il prelievo da un cestone di rocche di filato di diverse misure preordinate in spazi ridotti tramite l'utilizzo di un robot antropomorfo. E' evidente che la soluzione proposta potrà essere impiegata in applicazioni aventi un problema tecnico simile a quello di seguito descritto.

Nell'esempio qui descritto, gli oggetti da prelevare sono rocche di filato aventi un corpo conico attorno al quale è avvolto il filato. Il robot antropomorfo deve prelevare da cestone le rocche in posizione preordinata orizzontale con presa sul cono e successivamente depositare le rocche su nastri di carico con il diametro maggiore del cono rivolto verso l'alto.

Una difficoltà di questa applicazione deriva dal fatto che le rocche possono avere diverse misure, ad esempio: - Diametro maggiore rocche 60 mm

- Diametro minore rocche 55 mm

Altezza rocca 120 mm

- Diametri nominali rocche con filato 140, 160 oppure 180 mm.

- Peso massimo rocca filato 1000 gr.

Le rocche sono ordinate in file orizzontali; più file sono sovrapposte verticalmente tra loro. Chiaramente, file adiacenti hanno le rocche sfalsate tra loro in altezza, come si può notare dalla figura 1.

Le rocche possono essere parzialmente utilizzate e quindi rispetto alla rocca nuova il diametro può essere di diverse misure.

Il problema principale di questa applicazione è che tra le file di rocche e la parete del cestone c'è uno spazio molto ridotto, ad esempio inferiore a 100 mm, in cui inserire l'organo di presa della rocche. In un tale spazio ridotto, i tradizionali sistemi di riconoscimento della posizione e dell'orientamento della rocca, montati sull'organo di presa, non possono funzionare.

Infatti, in questa condizione, risulta impossibile realizzare il riconoscimento della posizione e dell'orientamento della rocca con un sistema di visione tradizionale in quanto la messa a fuoco della telecamera richiede uno spazio di almeno 300 mm, per avere un campo visivo delle dimensioni corrette 200x200 mm, ossia circa tre volte rispetto a quello disponibile .

Ulteriore problema è la necessità di illuminare con una sorgente adatta il lato delle file di rocche su cui deve essere effettuata la presa.

Inoltre, l'ordinamento delle rocche non è preciso a causa della conicità, dello spazio disponibile nel cestone e delle rocche parzialmente consumate che presentano un diametro inferiore rispetto al teorico. La distribuzione delle rocche, anche se preordinata, non permette di procedere con uno schema fisso di ricerca, ma il punto di presa va ricercato ogni volta. Inoltre le rocche devono essere manipolate senza toccare il filato e quindi bisogna effettuare la presa sul cono che porta il filato.

Scopo dell'invenzione è quindi quello di permettere ad un manipolatore, ad esempio un robot antropomorfo, di effettuare il prelievo degli oggetti, in questo caso le rocche di filato, nelle condizioni sfavorevoli sopra descritte .

Detto scopo è conseguito con un manipolatore secondo la rivendicazione 1 e con un metodo per prelevare oggetti secondo la rivendicazione 8 o 9.

Le rivendicazioni dipendente descrivono forme di realizzazione preferite dell'invenzione.

Le caratteristiche e i vantaggi del manipolatore e del metodo per prelevare oggetti secondo 1'invenzione risulteranno comunque evidenti dalla descrizione di seguito riportata di suoi esempi preferiti di realizzazione, dati a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento alle allegate figure, in cui:

- La figura 1 illustra un robot antropomorfo provvisto di un organo di presa per il prelievo delle rocche dal cestone;

- la figura 2 illustra, in vista prospettica, il solo organo di presa in una configurazione di acquisizione delle immagini delle rocche;

- La figura 3 illustra, in vista prospettica, il solo organo di presa in una configurazione di presa di una rocca;

- le figure 5, 5a, 5b e 5c mostrano altrettante fasi del metodo di prelievo di una rocca per il tramite del robot antropomorfo.

In detti disegni, con 1 è stato indicato un cestone in cui sono collocate rocche di filato 2 da prelevare. Le rocche di filato 2 sono disposte orizzontalmente e sono affiancate tra loro lungo la loro dimensione principale in modo da formare file di rocche. Più file sono sovrapposte sin altezza. Ogni rocca di filato 2 è formata da un corpo conico 3 attorno al quale è avvolto un filato 4. Il corpo conico 3 è cavo internamente. La base maggiore costituisce una porzione di presa 5 per un organo di presa che verrà di seguito descritto.

Le porzioni di presa 5 delle rocche di filato 2 sono rivolte verso una parete laterale 1' del cestone; le rocche di filato 2 più vicine a detta parete laterale 1' sono poste ad una distanza d da detta parete, ad esempio una distanza inferiore a 100 mm.

Le rocche di filato 2 sono prelevate dal cestone 1 in modo automatizzato da un manipolatore 10. Ad esempio, tale manipolatore 10 è realizzato con un robot antropomorfo.

Il manipolatore 10 comprende un braccio articolato 12 provvisto di un polso 14 ad una sua estremità. Su tale polso 14 è montato un organo di presa 16 per il prelievo e la movimentazione delle rocche di filato 2. L'organo di presa 16 comprende una pinza di presa 18 adatta ad impegnare la porzione di presa 5 delle rocche di filato 2.

In una forma preferita di realizzazione, la pinza di presa 18 è una pinza a tre griffe 18' che si muovono radialmente rispetto ad centro di pinza 18".

L'organo di presa 16 è munito inoltre di uno specchio 20 e di una telecamera 22. Lo specchio 20 è posizionato in modo da riflettere un'immagine della porzione di presa 5, secondo una direzione di riflessione inclinata rispetto alla direzione di incidenza dei raggi incidenti R provenienti dalla porzione di presa stessa. In altre parole, lo specchio 20 non è parallelo ai piani in cui giacciono le porzioni di presa 5, ovvero ai piani contenenti la base maggiore del corpo conico 3 delle rocche, ma è inclinato rispetto a tali piani. In tal modo, 1'immagine riflessa della porzione di presa 5 può essere catturata dalla telecamera 22 montata sull'organo di presa 16.

La telecamera 22 è quindi puntata verso lo specchio 20 in modo da ricevere 1'immagine riflessa della porzione di presa 5.

Il manipolatore 10 è governato da un'unità di controllo adatta a ricevere dalla telecamera 22 l'immagine della porzione di presa 5, elaborare detta immagine in modo da individuare la posizione di impegno della pinza di presa 18 con la porzione di presa 5, e a comandare i movimenti del braccio articolato 12 in modo da portare la pinza di presa 18 nella posizione di impegno.

In una forma di realizzazione, quando la pinza di presa 18 si trova nella posizione di impegno, il centro della pinza di presa 18" coincide con il centro della porzione di presa 5 delle rocche di filato 2. L'acquisizione e l'elaborazione dell'immagine della porzione di presa permette quindi all'unità di controllo di individuare il centro della porzione di presa 5 e di conseguenza di determinare la traiettoria da far compiere al braccio articolato 12 per portare il centro 18" della pinza di presa 18 in corrispondenza al centro della porzione di presa 5.

L'utilizzo dello specchio 20 permette alla telecamera 22 di mettere correttamente a fuoco 1'immagine della porzione di presa 5, essendo la lunghezza del cammino ottico dei raggi provenienti dalla porzione di presa e riflessi dallo specchio 20 maggiore rispetto alla distanza d tra la porzione di presa 5 e la parete del cestone 1, e sufficiente a consentire la messa a fuoco dell'immagine .

Pertanto, grazie allo specchio 20, l'organo di presa 16 con a bordo la telecamera 22 può essere inserito nello spazio angusto tra le rocche di filato 2 e la parete 1' del cestone 1, garantendo ugualmente la corretta messa a fuoco delle immagini acquisite.

Al fine di contenere il più possibile gli ingombri dell'organo di presa 16, quest'ultimo ha una struttura piastriforme. Più in dettaglio, l'organo di presa 16 è realizzato con una piastra di supporto 30 di forma allungata che si estende dal polso 14 del braccio articolato 12. La pinza di presa 18 e la telecamera 22 sono fissate preferibilmente in prossimità di rispettive estremità di tale piastra di supporto 30. Ad esempio, la pinza di presa 18 è fissata in prossimità dell'estremità libera, o distale, della piastra di supporto 30, mentre la telecamera 22 è fissata in prossimità del polso 14. Nella forma di realizzazione illustrata, la telecamera 22 è fissata ad una staffa 23 che si estende perpendicolarmente alla piastra di supporto 30 e che funge da mezzo di collegamento al polso 14 del braccio articolato 12.

Lo specchio 20 è posizionato anch'esso sulla piastra di supporto 30, tra la pinza di presa 18 e la telecamera 22.

In una forma preferita di realizzazione, lo specchio 20 è montato su una slitta 32 scorrevole sulla piastra di supporto 30. Tale slitta 32 è comandabile a scorrere tra una posizione avanzata di rilevazione immagine, in cui lo specchio 20 risulta sovrapposto almeno parzialmente alla pinza di presa 18, ed una posizione arretrata di riposo, in cui lo specchio è discostato dalla pinza di presa 18, in modo da lasciarla completamene libera per la presa della rocca di filato 3.

Ad esempio, la slitta 32 è azionabile pneumaticamente per il tramite di un attuatore pneumatico 33.

Vantaggiosamente, l'impiego dello specchio 20 scorrevole tra una posizione d'uso ed una posizione di riposo permette di contenere gli ingombri in lunghezza dell'organo di presa 16.

In una forma preferita di realizzazione, 1'inclinazione dello specchio 20 rispetto alla piastra di supporto 30 e la posizione della telecamera 22 sono scelte in modo tale da contenere la profondità dell'organo di presa 16, ovvero il suo ingombro nella direzione corrispondente alla distanza d. Ciò facilita l'inserimento dell'organo di presa 16 nello spazio angusto tra le rocche di filato 2 e la parete 1' del cestone 1. Per ottenere una tale riduzione della profondità dell'organo di presa 16, l'inclinazione dello specchio 20 è stata scelta inferiore a 45°, in modo da avvicinare il più possibile l'estremità più esterna dello specchio alla piastra di supporto 30. In conseguenza di tale inclinazione, la telecamera 22 riceve un'immagine distorta della porzione di presa 5. Pertanto, l'unità di controllo è provvista di mezzi di elaborazione di immagini, hardware e/o software, adatti a ricostruire 1'immagine reale della porzione di presa 5.

In una forma preferita di realizzazione, l'organo di presa 16 è provvisto di primi mezzi sensori 34 adatti a rilevare la distanza dell'organo di presa 16 dalla porzione di presa 5 nella direzione corrispondente alla distanza d. In tal modo, è possibile velocizzare la fase di avvicinamento dell'organo di presa 16 al centro della porzione di presa 5.

In una forma di realizzazione, l'organo di presa 16 è inoltre provvisto di secondi mezzi sensori 36 adatti a rilevare la presenza di un ostacolo nella direzione ortogonale alla direzione di allineamento della pinza di presa alla porzione di presa, ovvero alla direzione definita dalla distanza d.

Ulteriormente, in una forma di realizzazione 1'organo di presa 16 è munito di un dispositivo di illuminazione, ad esempio coassiale alla telecamera 22, adatto a proiettare un fascio di luce sullo specchio 20, in modo che detto fascio di luce sia riflesso verso la porzione di presa 5 per agevolare l'acquisizione dell'immagine di tale porzione di presa 5.

L'operazione di prelievo di una rocca di filato 2 avente la porzione di presa 5 vicina ad una parete laterale 1' del cestone 1 (ovvero la situazione più sfavorevole per il robot) si svolge quindi nel seguente modo.

Il braccio articolato 12 viene comandato dall'unità di controllo in modo da portare l'organo di presa 16 sopra il cestone 1, in corrispondenza allo spazio tra le rocche di filato 2 e la parete laterale 1' del cestone I (figura 4).

II braccio articolato 12 viene quindi comandato ad effettuare un movimento in direzione verticale verso il basso, in modo da passare nello spazio tra la parete laterale 1' e le rocche da prelevare (figura 5). Questa fase di discesa è assistita dai secondi mezzi sensori 36, che permettono di rilevare eventuali ostacoli che impediscono lo spostamento verticale dell'organo di presa 16. In questa fase di discesa, lo specchio 20 si trova in posizione abbassata di acquisizione delle immagini.

Quando l'organo di presa 16 raggiunge una quota prestabilita, viene comandata l'acquisizione delle immagini delle rocche di filato 2 mediante la telecamera.

Le immagini acquisite vengono quindi elaborate in modo da individuare la posizione di una porzione di presa 5 di una rocca di filato 2, ad esempio il centro della base del corpo conico 3.

In caso di identificazione della posizione di una porzione di presa 5, lo specchio 22 viene spostato in posizione sollevata inattiva in modo da liberare la pinza di presa 18, ed il braccio articolato 12 viene comandato in modo da portare la pinza di presa 18 nella posizione di impegno con la porzione di presa 5 di una rocca (figura 6, che rappresenta il caso di prelievo di una rocca di filato 2 che si trova in una posizione centrale dello strato superiore di rocche di filato). A questo punto la pinza di presa 18 viene attivata per bloccare una rocca di filato 2 all'organo di presa 16. La rocca di filato 2 può quindi essere prelevata dal cestone 1 (Figura 7).

In una forma preferita di realizzazione, dopo aver individuato la posizione di una porzione di presa, l'unità di controllo calcola la distanza tra la pinza di presa 18 e la porzione di presa 5, ad esempio per il tramite dei primi mezzi sensori 34, e comanda il braccio articolato 12 in modo da ottimizzare il tempo di avvicinamento alla porzione di presa 5.

Pertanto, considerando i vincoli relativi al ridotto spazio disponibile per effettuare la presa della rocca e alla geometria della distribuzione delle rocche, è stato proposto un organo di presa che permettesse di riflettere l'immagine tramite uno specchio e che fosse allo stesso tempo sufficientemente compatto per permettere il prelievo delle rocche senza interferire con le pareti laterali del cestone.

Sull'organo di presa inoltre sono installati primi mezzi sensore 34 che legge in orizzontale per determinare la distanza tra la pinza e la rocca da prelevare in modo da ottimizzare i tempi di ricerca e di presa, e secondi mezzi sensori 36 orientati in verticale per verificare eventuali ingombri durante al fase di discesa all'interno del cestone.

In una forma preferita di realizzazione, lo specchio è stato montato su una slitta pneumatica a due posizioni in modo da ridurre al minimo gli spazi occupati con l'obiettivo di svincolare lo specchio durante le operazioni di presa della rocca e nascondere la pinza durante le operazioni di acquisizione dell'immagine. In una forma di realizzazione, è stato sviluppato un opportuno software di elaborazione dell'immagine per ricostruire 1'immagine che risulta inversa e distorta rispetto alla reale forma e posizione a causa dell'angolo di incidenza non a 45° tra la telecamera e lo specchio, e quindi calcolare correttamente le coordinate del centro di presa. Il robot elabora i dati ricevuti in modo da ricostruire la posizione del centro della rocca e quindi è in grado di posizionare la pinza a tre griffe con l'inclinazione corretta prelevando il pezzo in posizione ottimale.

In sintesi, il cuore dell'invenzione risiede nell'aver trovato la soluzione progettuale affinché fosse possibile, in spazi ristretti, acquisire ed elaborare 1'immagine della porzione di presa delle rocche per determinare la distanza e il centro del pezzo e realizzare un organo di presa in grado di prelevare le rocche senza toccare il filato.

Alle forme di realizzazione del manipolatore e del metodo di prelievo di oggetti secondo 1'invenzione un tecnico del ramo, per soddisfare esigenze contingenti, potrà apportare modifiche, adattamenti e sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti, senza uscire dall'ambito delle seguenti rivendicazioni. Ognuna delle caratteristiche descritte come appartenente ad una possibile forma di realizzazione può essere realizzata indipendentemente dalle altre forme di realizzazione descritte.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Manipolatore (10), in particolare per il prelievo di oggetti (2) collocati in un cestone (1), comprendente: - un braccio articolato (12), provvisto di un polso (14) ad una sua estremità; - un organo di presa (16) montato su detto polso, detto organo di presa comprendendo: una pinza di presa (18) di un oggetto da manipolare, detta pinza di presa essendo adatta ad impegnare una porzione di presa (5) dell'oggetto da manipolare; - uno specchio (20) posizionato in modo da riflettere un'immagine di detta porzione di presa, secondo una direzione di riflessione inclinata rispetto alla direzione di incidenza dei raggi provenienti dalla porzione di presa, - una telecamera (22) puntata verso lo specchio in modo da ricevere 1'immagine riflessa della porzione di presa; un'unità di controllo adatta a ricevere dalla telecamera l'immagine della porzione di presa, elaborare detta immagine in modo da individuare la posizione di impegno della pinza di presa con la porzione di presa, e a comandare i movimenti del braccio articolato in modo da portare la pinza di presa in detta posizione di impegno, in cui lo specchio ha un'inclinazione rispetto alla telecamera tale da proiettare sulla telecamera un'immagine distorta della porzione di presa, l'unità di controllo essendo munita di mezzi di elaborazione di immagini adatti a ricostruire 1'immagine reale della porzione di presa.
2. 2, Manipolatore secondo la rivendicazione 1, in cui detto organo di presa (16) comprende una piastra di supporto (30) che si estende dal polso, la pinza di presa e la telecamera essendo fissate in prossimità di rispettive estremità di detta piastra di supporto, lo specchio essendo posizionato sulla piastra, tra la pinza di presa e la telecamera.
3. 3. Manipolatore secondo la rivendicazione precedente, in cui lo specchio (20) è montato su una slitta (32) scorrevole sulla piastra di supporto, detta slitta essendo comandabile a scorrere tra una posizione avanzata di rilevazione immagine, in cui il specchio è sovrapposto almeno parzialmente alla pinza, ed una posizione arretrata di riposto, in cui lo specchio è discostato dalla pinza.
4. 4. Manipolatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'organo di presa è provvisto di primi mezzi sensori (34) adatti a rilevare la distanza dell'organo di presa dalla porzione di presa nella direzione di allineamento tra la pinza di presa e la porzione di presa.
5. 5. Manipolatore secondo la rivendicazione precedente, in cui l'organo di presa è provvisto di secondi mezzi sensori (36) adatti a rilevare la presenza di un ostacolo nella direzione ortogonale a detta direzione di allineamento.
6. 6. Manipolatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui 1'organo di presa è munito di un dispositivo di illuminazione adatto a proiettare un fascio di luce sullo specchio, in modo che detto fascio di luce sia riflesso verso la porzione di presa dell'oggetto da manipolare.
7. 7. Manipolatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la pinza di presa è del tipo a griffe (18') movibili radialmente rispetto ad un centro di pinza.
8. 8. Metodo per prelevare un oggetto mediante un manipolatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente i passi di: - comandare il braccio articolato in modo da portare l'organo di presa ad una distanza prestabilita dall'oggetto da prelevare; - comandare il braccio articolato in modo da avvicinare l'organo di presa all'oggetto da prelevare lungo una direzione di avvicinamento ortogonale alla direzione di allineamento tra la pinza di presa e la porzione di presa dell'oggetto da prelevare; - acquisire immagini mediante la telecamera; - elaborare dette immagini in modo da individuare la posizione di una porzione di presa; - in caso di identificazione della posizione di una porzione di presa, comandare il braccio articolato in modo da portare la pinza di presa in una posizione di impegno con la porzione di presa; - attivare la pinza di presa.
9. 9. Metodo per prelevare oggetti collocati in un cestone avente pareti verticali mediante un manipolatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-7, e dove ognuno di detti oggetti ha una porzione di presa rivolta verso una di dette pareti laterali e staccata da detta parete, comprendente i passi di: - comandare il braccio articolato in modo da portare l'organo di presa sopra e oltre la parete laterale rivolta verso la porzione di presa; - comandare il braccio articolato ad effettuare un movimento in direzione verticale verso il basso, in modo da passare nello spazio tra la parete e gli oggetti da prelevare; acquisire immagini degli oggetti mediante la telecamera; - elaborare dette immagini in modo da individuare la posizione di una porzione di presa di uno di detti oggetti; - in caso di identificazione della posizione di una porzione di presa, comandare il braccio articolato in modo da portare la pinza di presa in una posizione di impegno con la porzione di presa; - attivare la pinza di presa.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui, dopo aver individuato la posizione di una porzione di presa, l'unità di controllo calcola la distanza tra la pinza di presa e la porzione di presa.