Artefatto con sei sfere riflettenti a ciascuna estremità utilizzato nel nuovo metodo di prova standard del NIST per valutare le prestazioni dei sistemi di tracciamento ottico. Questi sistemi, simili ai dispositivi di gioco domestici che tengono traccia dei movimenti di un giocatore, avere molti usi, compresi simulatori di volo, spostare robot nelle fabbriche, e chirurgia guidata dalle immagini. Credito:Roger Botelman/NIST
Lanciare uno strike perfetto nel bowling virtuale non richiede che il tuo sistema di gioco monitori con precisione la posizione e l'orientamento del tuo braccio oscillante. Ma se stai utilizzando un carrello elevatore robotico in una fabbrica, manipolare un braccio meccanico su una catena di montaggio o guidare un bisturi laser telecomandato all'interno di un paziente, la capacità di individuare esattamente dove si trova nello spazio tridimensionale (3D) è fondamentale.
Per rendere questa misurazione più affidabile, un team pubblico-privato guidato dal National Institute of Standards and Technology (NIST) ha creato un nuovo metodo di test standard per valutare quanto bene un sistema di tracciamento ottico possa definire la posizione e l'orientamento di un oggetto, noto come "posa", con sei gradi di libertà:su/giù, destra sinistra, avanti indietro, pece, imbardata e rotola.
I sistemi di tracciamento ottico funzionano secondo un principio simile alla visione stereoscopica di un essere umano. I due occhi di una persona lavorano insieme per osservare contemporaneamente l'ambiente circostante e dire al cervello esattamente dove si trovano tutte le persone e gli oggetti all'interno di quello spazio. In un sistema di tracciamento ottico, gli "occhi" sono costituiti da due o più telecamere che registrano la stanza e sono associati a emettitori di raggi che fanno rimbalzare un segnale:infrarossi, laser o LIDAR (Light Detection and Ranging) — fuori dagli oggetti nell'area. Con entrambe le fonti di dati che si alimentano in un computer, la stanza e il suo contenuto possono essere virtualmente ricreati.
Determinare la posa di un oggetto è relativamente facile se non si muove, e precedenti test delle prestazioni per i sistemi di tracciamento ottico si basavano esclusivamente su misurazioni statiche. Però, per sistemi come quelli utilizzati per pilotare i carrelli elevatori dei veicoli a guida automatica (AGV), gli animali da soma robotici che si trovano in molte fabbriche e magazzini, non è abbastanza. La loro "visione" deve essere 20/20 sia per gli oggetti fissi che per quelli in movimento per garantire che funzionino in modo efficiente e sicuro.
Per rispondere a questa esigenza, uno standard internazionale ASTM recentemente approvato (ASTM E3064-16) fornisce ora un metodo di prova standard per valutare le prestazioni dei sistemi di tracciamento ottico che misurano la posa in sei gradi di libertà per l'elettricità statica e, per la prima volta, dinamico:oggetti.
Gli ingegneri del NIST hanno aiutato a sviluppare sia gli strumenti che la procedura utilizzati nel nuovo standard. "Gli strumenti sono due artefatti simili a bilancieri che i sistemi di tracciamento ottico possono individuare durante il test, ", ha affermato l'ingegnere elettronico del NIST Roger Bostelman. "Entrambi gli artefatti hanno una barra di 300 millimetri al centro, ma uno ha sei marcatori riflettenti attaccati a ciascuna estremità mentre l'altro ha due forme 3D chiamate cubottaedri [un solido con 8 facce triangolari e 6 facce quadrate]." I sistemi di tracciamento ottico possono misurare le pose complete di entrambi i bersagli.
Secondo il collega di Bostelman, L'informatico del NIST Tsai Hong, il test viene condotto facendo percorrere al valutatore due percorsi definiti, uno su e giù per l'area del test e l'altro da sinistra e da destra, con ciascun artefatto. Lo spostamento di un manufatto lungo il percorso lo orienta per l'X-, Misurazioni degli assi Y e Z, mentre ruotandolo in tre modi rispetto al percorso fornisce il passo, aspetti di imbardata e rollio.
"Il nostro banco di prova a Gaithersburg del NIST, Maryland, la sede centrale dispone di 12 telecamere con emettitori a infrarossi posizionati nella stanza, in modo da poter tracciare l'artefatto durante la corsa e determinarne la posa in più punti, " disse Hong. "E poiché sappiamo che i marcatori riflettenti o le forme irregolari sui manufatti sono fissati a 300 millimetri di distanza, possiamo calcolare e confrontare con estrema precisione la distanza misurata tra quelle pose."
Bostelman ha affermato che il nuovo standard può valutare la capacità di un sistema di tracciamento ottico di localizzare oggetti nello spazio 3D con una precisione senza precedenti. "Abbiamo scoperto che il margine di errore è di 0,02 millimetri per la valutazione delle prestazioni statiche e di 0,2 millimetri per le prestazioni dinamiche, " Egli ha detto.
Insieme alla robotica, i sistemi di tracciamento ottico sono al centro di una varietà di applicazioni, tra cui la realtà virtuale in volo/addestramento medico/industriale, il processo di motion capture nella produzione di film e strumenti chirurgici guidati da immagini.
"Il nuovo standard fornisce un insieme comune di metriche e un affidabile, procedura facilmente implementabile che valuta il funzionamento degli inseguitori ottici in qualsiasi situazione, "Ha detto Hong.
Il metodo di prova standard E3064-16 è stato sviluppato dal sottocomitato ASTM E57.02 sui metodi di prova, un gruppo con rappresentanti di diverse parti interessate, compresi i produttori di sistemi di tracciamento ottico, laboratori di ricerca e aziende industriali.
