Robot-gestuurd systeem met Ensenso 3D-camera voor veilige behandeling van nucleair afval

De ontmanteling van nucleaire installaties stelt de exploitanten voor grote uitdagingen. Of het nu gaat om ontmanteling of veilige insluiting, de hoeveelheid kernafval die moet worden opgeruimd neemt wereldwijd sterk toe. Automatisering is in toenemende mate vereist voor de behandeling van nucleair afval, maar de nucleaire industrie staat om veiligheidsredenen terughoudend tegenover volledig autonome robotbesturingsmethoden. In gevaarlijke omgevingen wordt de voorkeur gegeven aan op afstand bestuurde industriële robots. Complexe taken zoals het op afstand besturen van het grijpen of snijden van onbekende voorwerpen met behulp van joysticks en videobewakingscamera's zijn echter moeilijk te besturen en soms zelfs onmogelijk. 

Om dit proces te vereenvoudigen doet het National Centre for Nuclear Robotics onder leiding van Extreme Robotics Lab van de Universiteit van Birmingham in het Verenigd Koninkrijk onderzoek naar geautomatiseerde manipulatiemogelijkheden voor kernafval. Het daar ontwikkelde robotassistentiesysteem maakt "gedeelde" controle mogelijk om complexe manipulatietaken uit te voeren door middel van haptische feedback en visie-informatie die wordt geleverd door de Ensenso 3D-camera. De operator, die altijd in de lus aanwezig is, kan de controle behouden over de geautomatiseerde acties van de robot, in geval van systeemstoringen.

Iedereen die ooit een grijpmachine op een kermis heeft uitgeprobeerd, kan dat beamen: Handmatige bediening van grijparmen is allesbehalve triviaal. Zo onschuldig als het is om te falen bij het grijpen van een knuffelkonijn, zo dramatisch kunnen mislukte pogingen zijn bij het hanteren van radioactief afval. Om schade met ernstige gevolgen voor mens en milieu te voorkomen, moet de robot de radioactieve voorwerpen in de omgeving uiterst nauwkeurig kunnen detecteren en met precisie kunnen handelen. De operator heeft het letterlijk in de hand, het is aan hem om de juiste grijpposities te bepalen.

Tegelijkertijd moet hij de inverse kinematica (achterwaartse transformatie) correct beoordelen en de gewrichtshoeken van de armelementen van de robot correct bepalen om de robot correct te positioneren en botsingen te vermijden. Het assistentiesysteem dat de Britse onderzoekers hebben ontwikkeld, vereenvoudigt en versnelt deze taak enorm: met een standaard industriële robot die is uitgerust met een parallelle grijper en een Ensenso N35 3D-camera.

Het systeem scant autonoom onbekende afvalobjecten en maakt er een 3D-model van in de vorm van een puntenwolk. Dit gebeurt uiterst nauwkeurig omdat de Ensenso 3D-camera's werken volgens het principe van ruimtelijke visie (stereovisie), dat is gemodelleerd naar het menselijk zicht. Twee camera's bekijken het object vanuit verschillende posities. Hoewel de beeldinhoud van beide camerabeelden identiek lijkt, vertonen ze verschillen in de positie van de bekeken objecten. Aangezien de afstand en de kijkhoek van de camera's en de brandpuntsafstand van de optiek bekend zijn, kan de Ensenso-software de 3D-coördinatie van het objectpunt voor elke afzonderlijke beeldpixel bepalen. In dit geval wordt de scène opgenomen met verschillende scanposities van de camera en gecombineerd om een volledig 3D-oppervlak te krijgen vanuit alle kijkhoeken. Ensenso's kalibratieroutines helpen de individuele puntenwolken om te zetten in een globaal coördinatensysteem, waardoor het volledige virtuele beeld wordt verbeterd. De resulterende puntenwolk bevat zo alle ruimtelijke objectinformatie die nodig is om de juiste grijp- of snijpositie door te geven aan de robot. 

Met behulp van de software neemt de Enseno 3D-camera de waarneming en evaluatie van de diepte-informatie over van de bediener, wiens cognitieve belasting daardoor aanzienlijk wordt verminderd. Het assistentiesysteem combineert de haptische kenmerken van het te grijpen voorwerp met een speciaal grijpalgoritme. "De scènewolk wordt door ons systeem gebruikt om automatisch verschillende stabiele grijpposities te genereren. Op basis hiervan bepaalt ons "hypothesis ranking algoritme" het volgende object om op te pakken, op basis van de huidige positie van de robot," legt Dr. Naresh Marturi uit, Senior Research Scientist bij het National Centre for Nuclear Robotics.

Mikado

Het principe is vergelijkbaar met dat van het behendigheidsspel Mikado, waarbij één stokje tegelijk moet worden weggenomen zonder andere stokjes te verplaatsen. De determined path guidance stelt de robot in staat soepel en gelijkmatig langs een gewenst pad naar de beoogde grijppositie te navigeren. Net als een navigatiesysteem ondersteunt het systeem de operator bij het begeleiden van de robotarm naar de veilige greep. Het systeem berekent hiervoor een veilige gang en helpt de operator het pad niet te verlaten door middel van haptische feedback.

Het systeem brengt de natuurlijke handbewegingen van de operator realtime over naar de overeenkomstige bewegingen van de robot. De operator behoudt altijd de handmatige controle en kan het overnemen in geval van uitval van een onderdeel. Hij kan eenvoudig de AI uitschakelen en teruggaan naar menselijke intelligentie door de 'force feedback-modus' uit te schakelen. In overeenstemming met het principe van gedeelde controle tussen mens en machine, blijft het systeem te allen tijde onder controle - essentieel in een omgeving met het hoogste level of danger.

Extra 3D-camera

"Voor al onze autonome grijpplanning, besturing op afstand en het visueel volgen van objecten maken we gebruik van 3D-camera's van het model Ensenso N35 met blauwe LED's (465nm) die samen met andere hulpmiddelen op de eindeffector van de robots zijn gemonteerd," zegt Dr. Naresh Marturi. De meeste systemen van het Extreme Robotic Lab zijn tot nu toe uitgerust met een enkele 3D-camera. "Om het proces van het bouwen van 3D-modellen te versnellen, hebben we onze systemen recentelijk echter geüpgraded door drie extra Ensenso 3D-camera's te gebruiken, naast de camera die zich aan boord van de robot bevindt. 

De Ensenso N-serie is voorbestemd voor deze taak. Hij is speciaal ontworpen voor gebruik onder zware omgevingsomstandigheden. Dankzij het compacte ontwerp is de N-serie even geschikt voor het ruimtebesparende stationaire of mobiele gebruik op een robotarm voor de 3D-detectie van bewegende en statische objecten. Zelfs bij moeilijke lichtomstandigheden projecteert de geïntegreerde projector door middel van een patroonmasker met een willekeurig stippenpatroon een contrastrijke textuur op het af te beelden voorwerp, waardoor de structuren die niet of slechts in geringe mate op het oppervlak aanwezig zijn, worden aangevuld.

De aluminium behuizing van de N30-modellen zorgt voor een optimale warmteafvoer van de elektronische componenten en daardoor voor een stabiele lichtopbrengst, zelfs in een extreme omgeving. Dit garandeert de constant hoge kwaliteit en robuustheid van de 3D-gegevens. Zelfs bij moeilijke lichtomstandigheden projecteert de geïntegreerde projector door middel van een patroonmasker met een willekeurig stippenpatroon een contrastrijke textuur op het af te beelden object en vult zo de structuren aan die niet of slechts zwak op het oppervlak aanwezig zijn.

Belangrijkste voordelen van het systeem

  • Operators hoeven zich geen zorgen te maken over de diepte van de scène of hoe ze het voorwerp moeten bereiken of waar ze het moeten vastpakken. Het systeem kan alles op de achtergrond achterhalen en helpt de bediener precies naar de plaats te gaan waar de robot het voorwerp het beste kan grijpen.
  • Met haptische feedback kunnen bedieners de robot in hun hand voelen, zelfs wanneer de robot niet voor hen aanwezig is.
  • Door haptische feedback en grijpplanning te combineren, kunnen operators zeer eenvoudig en snel objecten op afstand verplaatsen met een zeer lage cognitieve belasting. 

Dit bespaart tijd en geld, vermijdt fouten en verhoogt de veiligheid.

Leer meer: www.ids-imaging.com/ensenso