RICERCA ITALIANA     

Sicurezza per l'Interazione nel Contatto tra Umani, Robot e Ambiente (SICURA)

Università degli Studi di Roma "La Sapienza"

Abstract

Il programma di ricerca riguarda lo sviluppo di metodologie per l'impiego di sistemi robotici operanti in ambienti antropici in cui la sicurezza dell'interazione fisica tra utente umano e macchina assume un ruolo cruciale. Applicazioni significative di tali sistemi riguardano sia la robotica di servizio per usi civili (medicina, assistenza ai disabili, aiuto domestico, operazione di robot umanoidi) che la robotica industriale (cooperazione stretta tra utente e robot). Il gruppo di ricerca è composto da una selezione rappresentativa di ricercatori di Automatica che lavorano da anni nella Robotica, corredato di un'unità con ampia esperienza nel campo della progettazione meccanica di strutture robotiche. Temi di ricerca di rilievo per l'esecuzione del programma includono problematiche di progetto meccatronico e di controllo del moto di robot manipolatori e di mani robotiche dotate di cedevolezza strutturale eventualmente variabile, di modellistica degli impatti robot-utente, di rilevamento sensoriale di situazioni di pericolo o collisione, di pianificazione di movimenti che minimizzino le conseguenze di urti accidentali, di controllo sicuro dell'interazione fisica con limitato degrado delle prestazioni dinamiche, di tolleranza a malfunzionamenti. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Alessandro De Luca Università degli Studi di ROMA "La Sapienza"

Obiettivo del Programma di Ricerca

Dopo il grande sviluppo delle applicazioni robotiche degli anni '80-'90, principalmente legato ad impieghi industriali in ambienti altamente strutturati e controllati, la ricerca robotica si va orientando verso applicazioni diverse in cui è prevedibile e a volte necessaria una più stretta interazione fisica con utenti umani ed in condizioni operative fortemente variabili e/o di scarsa predicibilità. Con il termine Robotica Antropica si intende lo studio delle metodologie e delle tecnologie per la realizzazione di strutture robotiche (manipolatori, organi terminali) che operino in ambienti coabitati con l'uomo. Venendo meno l'esclusiva funzione dell'utente quale operatore-programmatore fuori linea del robot, occorre affrontare problematiche che coinvolgono aspetti di sicurezza, affidabilità, naturalezza di moto e di interazione fisica dei robot antropici, senza rinunciare necessariamente alle prestazioni tradizionali di queste macchine automatiche (velocità, precisione, ripetibilità). Il mercato potenziale di questa robotica centrata sull'uomo comprende diversi esempi significativi: robot di ausilio alle operazioni medico-chirurgiche o per l'assistenza personale, sistemi cooperanti robot-utente ed esoscheletri per estendere le capacità umane o ridurre l'affaticamento e i danni da lavoro manuale, robot domestici o per l'intrattenimento.

I temi di ricerca da sviluppare per ottenere una sicura ed efficace coabitazione uomo-robot sono di svariata natura e di portata scientifica rilevante. Tali temi richiedono l'integrazione e la sinergia di diverse competenze relative di meccanica, di attuazione, sensoriali e di controllo in strutture robotiche multiarticolate e di manipolazione. Obiettivo del programma di ricerca SICURA è lo sviluppo di dispositivi robotici e delle relative tecniche di pianificazione del moto e di controllo sensoriale in grado di garantire un'interazione fisica utente-robot naturale e sicura. Vale il principio generale che "un robot non deve mai provocare danni ad esseri umani...".

Le Unità partecipanti a questo programma costituiscono una selezione qualitativamente significativa della comunità Automatica e Meccanica italiana operante nel settore della Robotica da più di un ventennio, con competenze complementari ma con affinità di approccio ai problemi. I ricercatori impegnati sono internazionalmente noti ed hanno prodotto risultati di ricerca ampiamente riconosciuti, oggetto di pubblicazione in sedi prestigiose. I responsabili delle singole Unità sono impegnati ai massimi livelli nei comitati scientifici delle associazioni, dei convegni e delle riviste di riferimento del settore. I ricercatori presenti in SICURA hanno inoltre contribuito al successo di precedenti programmi di ricerca co-finanziati dal MIUR (RAMSETE (1998), http://www-lar.deis.unibo.it/ramsete, MISTRAL (2000), http://www-lar.deis.unibo.it/mistral, MATRICS (2002), http://www-lar.deis.unibo.it/matrics).

E' utile notare infine che tre delle cinque Unità sono state coinvolte anche nel progetto quadro PHRIDOM, finanziato nell'ambito della rete europea EURON, il cui obiettivo principale è stato l'individuazione di una roadmap e dei domini applicativi della robotica antropica,
e partecipano al progetto europeo PHRIENDS (Physical Human-Robot Interaction: Dependability and Safety), su tematiche affini, con partners industriali.

Le ricerca in ambito SICURA avrà come finalità principale quella di approfondire gli aspetti scientifici e tecnici già in parte affrontati dai proponenti, di evidenziare le prestazioni raggiungibili ed i limiti di sistemi robotici esistenti e di proporre nuove soluzioni meccaniche e di controllo sensoriale, ottenendo progressi significativi rispetto al corrente stato dell'arte e suscettibili di ricadute applicative. Importante sarà l'aspetto sperimentale con la validazione di metodi di controllo sensoriali (basati su visione e/o feedback di forza) e la prototipazione di componenti di mani robotiche e di semplici robot manipolatori con cedevolezza intrinseca. Il dato comune ed innovativo sarà l'approccio orientato alla sicurezza e alla naturalezza dell'interazione fisica con l'utente.

RISULTATI PREVISTI

La realizzazione di un prototipo di mano robotica soffice, con articolazioni cedevoli, tendini e polpastrelli cedevoli.

La realizzazione di un prototipo di manipolatore sicuro, basato su attuatori innovativi a cedevolezza variabile.

La definizione e validazione con misure sensoriali appropriate di modelli matematici dell'urto tra robot e utenti umani.

Lo sviluppo e l'implementazione di tecniche di pianificazione e controllo del moto per manipolatori intrinsecamente cedevoli.

La definizione di schemi di riconoscimento automatico di collisioni in assenza di sensorizzazione aggiuntiva.

Lo sviluppo e l'implementazione di schemi di controllo sensoriale forza visione per l'interazione sicura con l'ambiente.

La realizzazione di una struttura di collegamento attraverso rete informatica dei laboratori di robotica coinvolti, per permettere una più facile reperibilità del materiale aggiornato sullo stato della ricerca.

Sessioni ad invito sulla robotica antropica, da tenersi in occasione di conferenze internazionali con pubblicazione degli atti, e sessioni divulgative in occasione di convegni nazionali di interesse anche nel settore applicativo.

ARTICOLAZIONE DEL PROGRAMMA DI RICERCA

La realizzazione dell'obiettivo della ricerca prevede l'approfondimento e l'integrazione di diversi aspetti e competenze tecniche indispensabili all'operatività effettiva di robot in ambienti antropici. Tali competenze, in parte condivise dai ricercatori coinvolti, sono articolate in quattro Temi di ricerca dettagliati nella Descrizione al punto 13:

Tema MECC: Meccanica - Coordinamento UNIBO: Università di Bologna;

Tema PLAN: Pianificazione - Coordinamento UNIPI: Università di Pisa;

Tema SENS: Sensori - Coordinamento UNIROMA2: Università di Roma "Tor Vergata";

Tema CONT: Controllo - Coordinamento UNINA: Università di Napoli Federico II.

Pur in presenza di una stretta coesione tra questi temi, si è preferito assegnare delle funzioni di coordinamento alle singole Unità, in base alle esperienze pregresse e agli interessi attuali di ricerca, ai fini di un migliore monitoraggio delle attività. Il coordinamento scientifico ed amministrativo dell'intero progetto sarà svolto dall'Unità UNIROMA1: Università di Roma "La Sapienza".

Ulteriori informazioni sulla struttura di SICURA saranno disponibili sul sito Web http://www.dis.uniroma1.it/labrob/sicura in allestimento, che consentirà l'accesso ai siti delle varie Unità. <<<

Risultati parziali attesi

I risultati attesi dalla ricerca sono elencati qui di seguito:

1) La realizzazione di un prototipo di mano robotica soffice, con articolazioni cedevoli, tendini e polpastrelli cedevoli.

2) La realizzazione di un prototipo di manipolatore sicuro, basato su attuatori innovativi a cedevolezza variabile con più gradi di libertà.

3) La definizione e validazione di modelli matematici di diverse tipologie di urto tra robot e utenti umani.

4) Lo sviluppo e implementazione di tecniche di pianificazione e controllo del moto per manipolatori intrinsecamente cedevoli.

5) Metodi per il rilevamento rapido di collisioni, in assenza di sensorizzazione aggiuntiva, con associate strategie di reazione che allontanano automaticamente il manipolatore dall'area di urto.

6) La definizione e messa a punto sperimentale di schemi di controllo sensoriale forza-visione per l'interazione con l'ambiente.

L'integrazione di una o più delle suddette tecniche in dispositivi robotici esistenti o sviluppati nel progetto rappresenterà uno degli obiettivi più importanti del progetto, passo indispensabile per la trasformazione dei risultati di SICURA in prodotti commerciali in un prossimo futuro.

Ai fini dell'avanzamento della conoscenza, è rilevante anche la prevista organizzazione di sessioni ad invito sulla robotica antropica in convegni internazionali e nazionali, dove diffondere i risultati del progetto in particolare ai giovani ricercatori e ai potenziali utenti applicativi. Tra questi si possono includere, ad esempio:

- enti e organi deputati alla certificazione di sicurezza dei robot in ambienti non industriali;

- produttori di robot interessati ad aumentare la funzionalità dei loro manipolatori in condizioni non strutturate dove collisioni accidentali con utenti e/o con oggetti nell'ambiente non si possono escludere;

- gli sviluppatori di robot umanoidi, nei quali l'integrazione di una mano cedevole come end-effector rende più naturale l'esecuzione di compiti di interazione fisica con l'uomo. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Nel contesto della robotica antropica [1-4], si pone qui l'attenzione sul progetto meccanico e sul controllo di robot manipolatori cedevoli e di mani robotiche con caratteristiche di compliance, sulla modellistica dell'impatto tra robot e utenti umani, sul riconoscimento di collisioni e guasti, nonché sull'uso di sensori esterni per il controllo del moto e dell'interazione.

Robot manipolatori intrinsecamente cedevoli

A causa dell’elevata inerzia in gioco e della rigidezza costruttiva, i robot convenzionali non rispettano i requisiti di sicurezza nell'interazione fisica robot-utente. La pericolosità di impatti indesiderati può essere mitigata ampliando numero e tipo di sensori (ad esempio, con "pelli sensorizzate" [5, 6]) e con un controllo attivo di impedenza nell’interazione. L'assenza di sensori supplementari e le limitazioni della prontezza di risposta dei controllori digitali impongono dei limiti al problema.



Fig. 1: Il robot leggero DLR III



Fig. 2: Il robot Dexter con trasmissioni a cavi e pulegge

Gli obiettivi di sicurezza operativa dei robot antropici hanno portato a nuove generazioni di robot a bassa inerzia e con cedevolezza strutturale degli organi di trasmissione (Whole-Arm-Manipulator (WAM) [7], DLR-lightweight robots [8]). Opportune metodologie di controllo di forza permettono l’uso di tali robot in applicazioni con requisiti di sicurezza [9,10].
In particolare, l'introduzione di cedevolezza ai giunti diminuisce l'inerzia riflessa e percepita da un utente in caso di impatto. Il ritardo sui tempi di risposta dovuto alle trasmissioni cedevoli può essere compensato con opportuni schemi di attuazione [11].


Fig. 3: Lo schema di principio del DM2 di Stanford

Tale cedevolezza intrinseca (concentrata ai giunti del robot [12]) può portare ad imprecisioni di posizionamento e a vibrazioni durante il moto. Per robot con giunti elastici, si sono ottenute prestazioni simili a quelle dei robot rigidi con l'uso di controllori che includono l'informazione sull'elasticità. Sono disponibili leggi di controllo per compiti di regolazione [13] e asservimento a traiettoria [14], molte sviluppate da UNIROMA1. Se il robot è in contatto con l'ambiente, si può ricorrere a schemi modificati di controllo di forza [15] o cedevolezza [16].

Nel co-progetto meccanico e di controllo detto Approccio ad Impedenza Variabile (VIA) proposto da UNIPI [17], nuovi sistemi d’attuazione possono garantire livelli di sicurezza in caso di impatto pur mantenendo prestazioni dinamiche elevate. A tal fine si variano durante il moto i parametri che caratterizzano l'impedenza meccanica del robot, imponendo valori elevati d’impedenza a bassa velocità e bassi a velocità elevate. Il VIA può tradursi in differenti soluzioni meccaniche, ad esempio con configurazioni antagoniste di attuazione [18,19].


Fig. 4: Il robot SoftArm a cedevolezza variabile del Centro Piaggio

Nel caso di strutture cedevoli con doppia attuazione, il problema del controllo in feedback è ancora aperto [20]. L'idea di base è quella di definire schemi di controllo simultaneo del moto cartesiano e della cedevolezza dei giunti (da modulare in previsione di eventuali impatti). Il compromesso è tra la sicurezza intrinseca di un manipolatore leggero e cedevole e le prestazioni dinamiche richieste ad un robot. In tale ambito, ha interesse la pianificazione ottima di leggi orarie del moto in base a indici di severità di impatto [21].

Mani robotiche con caratteristiche antropomorfe

L’end-effector del robot è l’organo privilegiato per l’interazione fisica con il mondo. Nei robot che operano in contatto con l'uomo, la struttura antropomorfa dell’end-effector e le sue caratteristiche sono decisive per l’accettazione di un tale dispositivo da parte dell’utente. Un robot con una stretta di mano più "calda" e delicata darebbe sensazioni molto più simili a quella umana.

Lo sviluppo di mani robotiche ha visto grandi progressi negli ultimi trenta anni. Dalle pionieristiche esperienze di Okada e Salisbury [22,23], attraverso progetti celebri come la Utah Hand [24], si è giunti a realizzazioni che rappresentano lo stato dell'arte attuale, quali DLR Hand [25], GIFU Hand [26], e NASA Robonaut Hand [27]. Tra i principali limiti si citano: ingombri e pesi tuttora elevati, grande complessità strutturale e scarsa affidabilità, ridotta dotazione sensoriale, eccessiva rigidità della struttura e delle superfici destinate alla realizzazione dei contatti. In particolare, le mani robotiche finora realizzate non presentano in maniera adeguata quelle superfici morbide ed adattabili che contribuiscono alla funzionalità della mano umana nella manipolazione fine e di forza [28].


Fig. 5: Un dito con cerniere elastiche della mano UBH III

Il gruppo di ricerca di UNIBO è stato tra i primi a sviluppare mani aventi "compliance" sia locale (zone di contatto dotate di polpastrelli soffici adattabili) sia strutturale, con articolazioni a cerniere elastiche di grande deformabilità, attuazione tendinea remota e rivestimenti superficiali di elevati spessore e viscoelasticità [29,30]. Questa strada appare molto promettente almeno a livello prototipale [31,32].

Modellistica dinamica dell'impatto tra robot e utente umano <br />
Sebbene siano già disponibili modelli e controllori (anche sviluppati da UNIROMA2) per robot che impattano con altre strutture meccaniche [33,34,35], la modellistica dell'interazione uomo-robot nelle sue varie situazioni operative è un campo di ricerca ancora aperto. La simulazione di eventi di tipo impulsivo (come quelli di impatto) sul corpo umano ed il calcolo delle risposte biomeccaniche a tali sollecitazioni hanno un ruolo fondamentale per la comprensione dei meccanismi che portano a danni sul corpo umano. Un modello matematico del corpo umano [36,37] può essere d’ausilio per stabilire le specifiche di sicurezza nel progetto meccanico e delle leggi di controllo dei robot. Una completa validazione sperimentale di tali modelli richiede peraltro la misura delle forze di impatto, la misura di accelerazioni, velocità e spostamenti relativi, nonché la misura di tensioni e pressioni.

Diagnosi di guasti e riconoscimento di collisioni

Un altro aspetto riguardante la sicurezza nell'interazione fisica tra robot e utente umano è la gestione in linea dei guasti che possono avvenire a livello di sensori o attuatori. In tale ambito, si distinguono rilevamento e isolamento del guasto [38] seguiti da una fase di controllo/supervisione in base al guasto isolato. Sulla diagnosi dei guasti negli attuatori in robot rigidi, esistono risultati soddisfacenti in letteratura [39,40]. E' interessante notare che anche le collisioni tra robot ed utente si possono trattare come guasti incipienti sul sistema. In assenza di sensori aggiuntivi, il riconoscimento di collisioni deve necessariamente basarsi solo sui segnali di comando e di posizione e velocità ai giunti. Risultati preliminari per un robot rigido sono descritti in [41].

Controllo sensoriale esterocettivo del moto e dell'interazione
<br />Nell’uso robotico, i sensori di visione e forza hanno caratteristiche tra loro complementari, i primi di tipo globale sull'ambiente che circonda il robot, i secondi locali all'organo terminale. L'utilizzo integrato di tali due modalità sensoriali può garantire movimentazione ed interazioni sicure tra robot, ambiente e utenti umani. La ricerca sul controllo sensoriale in questo ambito si è sviluppata in canali distinti, con molti contributi di UNINA [42]: controllo dell'interazione con sensori di forza, in modalità d'impedenza [43] o ibrida forza/posizione [44], e controllo del moto tramite "visual servoing" [45], con tecniche "basate sulle immagini" [46], "sulla posizione" [47] o ibride [48].

La fusione di misure di forza e visione non è semplice da tradurre in un algoritmo di controllo perchè tali grandezze eterogenee sono prive di una rappresentazione comune [49]. Nei casi semplici, i due sensori si possono usare in modo alternativo, durante fasi diverse del compito. L'uso combinato della percezione visiva e tattile semplifica notevolmente la transizione veloce e stabile da non-contatto a contatto [50]. Altre possibilità di combinare tali sensori si trovano negli schemi di controllo ibrido forza/visione, come in [51] dove si utilizza il concetto di "task frame" per individuare sottospazi di controllo in forza, velocità e visione, o in quelli di controllo di impedenza, come in [52] dove si usa un anello esterno di visual servoing ed un anello interno di impedenza con retroazione di forza. Si possono infine prevenire contatti accidentali (con la visione) e riconoscere/gestire in sicurezza i contatti intenzionali (con sensore di forza al polso) [53].

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