RICOSTRUZIONE 3D AD ALTA RISOLUZIONE CON PROFILOMETRO IN ROTAZIONE


Robosense Srl, con sede a Pergine Valsugana (TN), è un’azienda dinamica e altamente specializzata nel settore della robotica industriale. Questa competenza consente a Robosense di collaborare con numerose realtà operanti nei campi della meccatronica e dell’automazione. Il suo punto di forza è rappresentato dalla robotica industriale mobile per la logistica, sviluppata sia nell’ambito di progetti di ricerca sia attraverso prodotti proprietari già impiegati con successo in sistemi automatizzati, sia in Italia che all’estero.
Oltre a soluzioni come SmartGate, SmartFinder e SmartATL, l’azienda offre servizi di consulenza specializzata e soluzioni su misura per l’integrazione, l’aggiornamento e l’ottimizzazione dei processi industriali. Robosense mette inoltre a disposizione competenze avanzate in robotica, computer vision e automazione, affiancando i clienti nello sviluppo di soluzioni innovative e tecnologicamente all’avanguardia. Fornisce un servizio completo che parte dall’analisi delle esigenze del cliente e arriva fino alla progettazione, realizzazione e integrazione di sistemi di visione 3D complessi e personalizzati, comprensivi di sviluppo software e algoritmi dedicati, pensati per diversi settori applicativi.

La situazione attuale.

Per ottenere ricostruzioni precise di oggetti 3D, si utilizzano profilometri montati su supporti che si muovono in modo traslazionale. Questo approccio, sebbene semplice ed efficace, presenta dei limiti significativi, in quanto molti dettagli dell'oggetto da ricostruire vengono persi durante il movimento lineare del sensore. La traslazione non consente infatti di acquisire tutte le informazioni necessarie per una rappresentazione accurata dell'oggetto, soprattutto quando si tratta di geometrie complesse.

Un'alternativa a questa tecnica è quella di montare il profilometro su un mandrino o un manipolatore, facendo ruotare il sensore intorno a un asse fisso. In questo modo, il profilometro esplora l'oggetto da molteplici angolazioni, riuscendo a catturare una maggiore quantità di dettagli e riducendo la perdita di informazioni. La rotazione, infatti, permette di acquisire più dati da diverse prospettive, migliorando la qualità della nuvola di punti e quindi della ricostruzione 3D complessiva.

I manipolatori robotici consentono di acquisire un oggetto da molteplici punti di vista, ma la loro accuratezza di posizionamento assoluto su tutto il volume di lavoro è spesso limitata, con errori che possono raggiungere anche diversi millimetri o, in alcuni casi, decine di millimetri, a causa di fattori quali la tolleranza meccanica degli assi, la flessione delle strutture, l’errore nella calibrazione e la presenza di giochi o usura nei componenti. Tuttavia, l’asse di rotazione del polso robotico offre generalmente una maggiore stabilità e ripetibilità.


Per questo motivo, una strategia particolarmente efficace consiste nel montare il profilometro su un supporto solidale all’asse rotante del polso, utilizzando i giunti del manipolatore esclusivamente per raggiungere le varie posizioni e orientazioni richieste per la scansione. Una volta raggiunta la posizione desiderata, le acquisizioni vengono effettuate muovendo unicamente il giunto rotativo dell’asse del polso. In questo modo è possibile ottenere viste dell’oggetto da angolazioni differenti, garantendo al contempo una maggiore accuratezza nella ricostruzione 3D finale.

Questa metodologia di scansione, che prevede la rotazione controllata del profilometro attorno all’oggetto tramite l’asse del polso robotico, presenta una sfida cruciale legata alla necessità di una taratura estremamente accurata della posa del sensore rispetto all'asse di rotazione. Anche minime imprecisioni possono generare errori che si accumulano progressivamente durante il movimento rotatorio del profilometro, dando origine a deformazioni evidenti nella nuvola di punti. Tali distorsioni compromettono l'accuratezza della ricostruzione 3D e incidono negativamente sulla qualità complessiva delle informazioni acquisite, soprattutto in presenza di geometrie complesse o dettagli di piccole dimensioni, dove la precisione è fondamentale.


Per ottenere un miglioramento significativo della qualità della ricostruzione 3D, rendendola più precisa, completa e fedele alla geometria reale dell’oggetto pur impiegando un unico profilometro, è fondamentale disporre di una taratura estremamente accurata del sistema.

L’obiettivo è quindi identificare un metodo efficace e un algoritmo proprietario per effettuare tale taratura accurata, così da posizionare accuratamente i punti acquisiti all'interno di un sistema di riferimento globale, permettendo ricostruzioni 3D ad alta fedeltà anche utilizzando manipolatori robotici standard. Il sistema punta a migliorare l'affidabilità della ricostruzione e renderla adatta ad applicazioni successive come analisi geometriche, confronti con modelli CAD e simulazioni.



L’innovazione di Robosense.

La soluzione sviluppata consente di ottenere una ricostruzione 3D dettagliata di un oggetto, comprensiva delle parti nascoste, utilizzando un unico profilometro montato su un asse rotante. Il successo di questa metodologia si basa su una taratura accurata della relazione tra il profilometro e l’asse di rotazione. L’approccio adottato prevede la possibilità di posizionare un piano di calibrazione, anche in modo automatico, con orientamenti e posizioni arbitrari all’interno del campo di misura del profilometro. L’applicazione proprietaria di Robosense analizza i profili acquisiti da tali configurazioni per calcolare i parametri estrinseci che definiscono posizione e orientamento del sensore rispetto all’asse rotante. In questo modo, è possibile determinare con accuratezza come collocare i successivi punti acquisiti rispetto a un sistema di riferimento globale.

Questo processo consente di ottenere una nuvola di punti complessiva di alta qualità, con un'accuratezza dell’ordine del centesimo di millimetro, conforme alle specifiche nominali del sensore utilizzato.

Inoltre, il programma è in grado di eliminare gli outlier, sia quelli originati dal sensore sia quelli dovuti a interferenze ambientali. La rimozione di questi valori anomali assicura che i parametri calcolati risultino il più possibile accurati e affidabili.

“iMAGE S S.p.A. ha fornito il profilometro LMI Gocator 2340, fondamentale per acquisire i dati 3D in modo accurato” dice Mattia Tavernini, CEO e Co-Fondatore di Robosense. “Grazie alla sua qualità e precisione abbiamo potuto sviluppare un software avanzato per la taratura automatica del sensore montato su un asse rotante”.

“I sensori distribuiti da iMAGE S S.p.A. sono caratterizzati da una qualità costante e da un'elevata robustezza, rendendoli ideali per applicazioni che richiedono alta performance, come la nostra soluzione di taratura automatica e analisi dei profili. Infine, la collaborazione con iMAGE S S.p.A. ha assicurato un supporto tecnico adeguato, fondamentale per integrare i sensori nel nostro sistema in modo ottimale”.

La soluzione proposta da Robosense offre diversi vantaggi significativi. Innanzitutto, consente di ottenere una ricostruzione 3D accurata anche per oggetti con geometrie complesse, riducendo al minimo la perdita di dettagli nascosti. Questo è particolarmente utile in contesti industriali e ingegneristici, dove è fondamentale avere una rappresentazione fedele di ogni parte dell'oggetto, anche delle aree meno accessibili.

Inoltre, la soluzione si distingue per il suo approccio più economico rispetto alle tecnologie tradizionali, che richiedono l'uso di più sensori per ottenere una ricostruzione completa. Utilizzando un singolo profilometro montato su un asse rotante, si riducono significativamente i costi, mantenendo un livello di accuratezza comparabile a soluzioni più complesse e costose.