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 >>>

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 >>>

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 >>>