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Nell'ambito del progetto PICTURE l'unità Università di Catania (UNICT) svolgerà funzioni di coordinamento dell'attività di ricerca relativa al tema Sistemi di Locomozione (LOCOM), al cui sviluppo collaborano anche le unità UNIGE e UNIVPM come illustrato nel Modello A. UNICT svolgerà attività di ricerca anche sulle tematiche FUSE, SLAM e UNDW coordinate da altri. L'unità ha svolto attività di ricerca nel settore nell'ambito di diversi progetti locali (Ateneo "Metodologie di Controllo e Navigazione per Robot Mobili" 2001-2003), nazionali (PON TECSIS OR6 Controllo dell'hovering di veicoli sottomarini 2002-2005; Cluster C11-B Progetto 23, Realizzazione di robot per l'automazione delle operazioni di ispezione in ambienti ostili 2000-2004, Cluster C26 materiali innovativi 2000-2003), collaborazioni con enti privati di ricerca (STMicroelectronics Applicazione di microcontrollori Fuzzy per la Robotica Mobile, CRAM Metodologie per il controllo di un robot per la raccolta degli agrumi). In ambito Europeo l'unità partecipa attivamente alla rete tematica CLAWAR 2 (http://www.clawar.net) coordinando il WP Applications, è membro della rete EURON (http://www.euron.org ) ed ha coordinato le attività del progetto IST ROBOVOLC, finalizzato alla realizzazione e collaudo di un robot per l'ispezione dei vulcani (http://www.robovolc.dees.unict.it ). L'unità ha esperienza nella progettazione, realizzazione e collaudo di prototipi di robot mobili, con particolare riferimento allo sviluppo di sistemi di controllo embedded. Sito Internet: http://www.robotic.diees.unict.it Principali attrezzature disponibili per l'esecuzione dell'attività di ricerca: Laboratori: - Laboratorio di Robotica (presso il DIEES Università di Catania) dotato di 8 postazioni PC, software MATLAB, LabView, 2 schede Dspace, attrezzato per il montaggio e collaudo di schede elettroniche, sistemi di sviluppo e programmazione per diverse famiglie di microcontrollori, officina meccanica leggera per piccole lavorazioni. - Laboratorio ROBOVOLC (Presso INGV Nicolosi) attrezzato per la sperimentazione di robot mobili in ambienti esterni. Prototipi di robot mobili: - ROBOVOLC : sei ruote indipendenti su telaio articolato, sistema di localizzazione multisensoriale con DGPS di alta precisione e piattaforma inerziale, braccio manipolatore SCARA, sistema di comunicazione per telecontrollo. - WHEELEG : ibrido dotato di due zampe attuate pneumaticamente e due ruote attuate elettricamente. - ALICIA3 : basato su tre moduli interconnessi per l'ispezione di pareti verticali. - DIEES-Biped : arto robotico antropometrico dotato di cinque gradi di movimento attuati pneumaticamente. - MORDUC : architettura di controllo aperta, attuato per mezzo di due motori elettrici, dotato di 8 sensori ad ultrasuoni, 4 sensori di contatto, laser scanner rangefinder SICK e sistema di visione. Nel seguito viene data una descrizione delle attività oggetto della presente proposta di ricerca e della loro suddivisione temporale. Tema LOCOM Oltre a coordinare le attività su tale tema l'unità UNICT si occuperà di sviluppare metodologie per il controllo di trazione di veicoli multiruota, del controllo di robot bipedi e del controllo di climbing robot. - Controllo di trazione di veicoli multiruota. L'unità ha svolto attività di ricerca riguardo a piattaforme mobili con telaio articolato ed attuazione elettrica indipendente per ogni ruota. La ridondanza degli attuatori permette di impostare opportunamente le coppie dei vari motori per mantenere l'aderenza col suolo. Ulteriori sviluppi di tale ricerca da compiere nell'ambito del presente progetto, consisteranno nel perfezionamento di tali algoritmi e nella loro sperimentazione finale sul prototipo ROBOVOLC. Alcuni di tali algoritmi di trazione richiedono la conoscenza della morfologia del terreno. Questa può essere ricavata da misure indirette o dirette. Si prevede quindi di utilizzare dei sistemi di visione per meglio stimare la morfologia del terreno e il movimento relativo delle ruote rispetto ad esso, attraverso una analisi del flusso ottico, indipendentemente dal loro slittamento. Una volta misurata la velocità delle ruote in tal modo e l'inclinazione del robot mediante sensori inerziali, attraverso le leggi della cinematica del robot ed un Filtro di Kalman Esteso (EKF) si ricaverà l'inclinazione del terreno nelle singole ruote. Attraverso un opportuno algoritmo si potrà quindi ottimizzare la coppia da assegnare ai motori per avere il massimo della trazione. L'implementazione sul robot Robovolc richiederà inoltre la modifica di parte delle schede di controllo del robot e l'implementazione di software opportuno da integrare nel sistema. - Controllo del moto di robot bipedi L'unità ha progettato e realizzato un prototipo di arto robotico inferiore antropometrico. L'analisi delle caratteristiche cinematiche e dinamiche dell'arto ne suggerisce un impiego nell'ambito della biomeccanica e della pratica riabilitativa dell'arto inferiore umano, in quanto le escursioni angolari e le dimensioni del prototipo riproducono le caratteristiche del corrispondente arto biologico. Allo stato attuale il prototipo realizzato si compone di cinque gradi di libertà suddivisi in modo tale da assicurare due gradi di libertà all'articolazione dell'anca e della caviglia, ed un grado di libertà all'articolazione del ginocchio, ed è attuato da cinque pistoni pneumatici. La sensoristica a bordo del robot comprende in inclinometro biassiale ed un sensore di pressione posto sotto la pianta del piede, in grado di rilevare le forze di reazione vincolare durante la fase di appoggio e quindi di riprodurre il senso tattile della pianta del piede. Nell'ambito del presente progetto si prevede uno studio metodologico più accurato sulle dinamiche in gioco. In altre parole, l'analisi del movimento comprende concetti teorici da applicare ad un caso reale di studio, per assicurare una dinamica stabile in ciclo limite. Il concetto di ZMP può quindi essere applicata per calcolare in linea il punto ottimale di appoggio del piede sul terreno, data la stima delle accelerazioni ai giunti e della velocità di spostamento del robot. L'algoritmo di controllo che ci si propone di realizzare, utilizza al suo interno algoritmi di inversione cinematica che facilmente si adattano al calcolo delle traiettorie direttamente nello spazio operativo. A tal proposito l'integrazione dei dati acquisiti dai giunti con quelli provenienti dal sensore di pressione, fornirà un utilissimo apporto alla determinazione del grado di stabilità del robot, che, sotto certi punti di vista, riconduce a metodologie di controllo proprie di un sistema a pendolo inverso. Infine è importante sottolineare che le caratteristiche di elasticità e di prontezza proprie dell'attuatore pneumatico, meglio riproducono le caratteristiche del muscolo biologico rispetto al più consueto attuatore elettrico. Questo aspetto rende possibile l'applicazione della teoria sul controllo di forza e di impedenza al presente caso di studio. L'esperienza acquisita nel controllo dell'arto descritto porterà verso la realizzazione di un secondo arto identico e quindi all'implementazione di architetture di controllo di movimento per un robot bipede sulla base delle stesse metodologie di controllo descritte in precedenza. - Controllo di Climbing robot In tale tematica riveste particolare interesse lo sviluppo di nuovi modelli del sistema elettro-pneumatico che modellizza il meccanismo di adesione pneumatica di un climbing robot con la superficie, utilizzando metodologie Neuro-Fuzzy ed in generale di soft-computing. I modelli ottenuti potranno essere validati mediante simulazioni su PC in ambiente Matlab e confronto dei risultati con misure sperimentali su prototipi di robot. Da alcuni studi preliminari da approfondire ulteriormente il sistema si presta ad essere classificato come ‘Direction Dependent'. Il modello trovato verrà quindi utilizzato per la sintesi di un opportuno sistema di controllo. Anche in questo caso verranno utilizzate metodologie di soft-computing. I risultati ottenuti in simulazione in ambiente Matlab, saranno poi verificati sul sistema reale. I test saranno realizzati con l'aiuto di strumenti come il Toolbox xPC Target di Matlab e DSP dedicati come i sistemi DSpace. Tema FUSE L'unità di ricerca UNICT sarà pure impegnata sul tema FUSE, coordinato da UNIRM3, occupandosi di localizzazione di robot in ambienti esterni attraverso la fusione di dati multisensoriali. Il sistema di localizzazione è infatti di fondamentale importanza per un robot che deve muoversi in maniera autonoma o semi autonoma. Nell'ambito del progetto si propone l'estensione di algoritmi di fusione sensoriale e di autocalibrazione sviluppati in precedenza ad un modello tridimensionale del terreno, utilizzando anche le misure di sensori inerziali, per migliorare la stima della posizione e dell'assetto del robot ed una loro sperimentazione sul robot ROBOVOLC. In ambienti esterni non strutturati può infatti non essere sufficiente l'utilizzo di modelli bidimensionali per la localizzazione. Gli studi verranno finalizzati al miglioramento della stima utilizzando un algoritmo fuzzy per fondere le misure degli encoder con quelle di sensori inerziali e geomagnetici da fornire ad un EKF. Altri studi verranno condotti per la realizzazione di un sistema tridimensionale di localizzazione e calibrazione simultanea nel quale l'algoritmo sia in grado anche di stimare i parametri cinematici del robot. Tema SLAM Nell'ambito di questo tema, coordinato da UNIPI, l'unità operativa UNICT intende studiare algoritmi che, utilizzando anche la teoria degli insiemi Fuzzy, separino le mappe di un ambiente in base a porzioni prestabilite o meglio in base agli ambienti che si stanno perlustrando. Si procederà inizialmente modificando un algoritmo SLAM già sviluppato per ambienti chiusi, che utilizza le misure di uno scanner laser e considera come riferimenti gli angoli delle pareti. Il metodo utilizzato considera un'unica mappa e aggiunge i riferimenti ad un database, man mano che sono rilevati. L'insieme di tutte le misure è poi elaborato attraverso un filtro di Kalman che migliora la stima della posizione e dell'orientamento del robot nella nuova mappa e contemporaneamente la aggiorna. Questo algoritmo va ulteriormente perfezionato, in quanto risulta affidabile solo quando si effettua una pre-elaborazione opportuna delle misure del laser scanner. Infine si proporrà una implementazione e validazione sperimentale degli algoritmi sviluppati sulla piattaforma MORDUC. Tema UNDW Tra le attività relative alla tematica UNDW, coordinata da UNIVPM, si propone lo sviluppo di algoritmi di controllo di assetto di robot sottomarini autonomi attraverso l'inseguimento di immagini di oggetti in presenza di disturbi esterni. In particolare si intendono applicare metodologie basate sull'utilizzo di reti neuronali in algebra quaternionica per modellizzare la dinamica di un veicolo sottomarino e per lo sviluppo di controllori adattativi. Ulteriori studi verranno condotti sui metodi per l'asservimento visivo di oggetti. In tal caso il problema della estrazione delle caratteristiche del movimento dalle immagini va coniugato al problema del controllo del moto del robot, avendo come obiettivo l'annullamento del flusso ottico percepito. Organizzazione temporale del progetto - Fase 1 (Mesi 1-6). Costo 16kEuro. Avvio del progetto e collaborazioni. Definizione tipologie di locomozione da prendere in esame in relazione a sistemi disponibili o eventualmente da sviluppare. Definizione e progettazione iniziale delle eventuali modifiche da apportare ai sistemi dal punto di vista hardware e software. Acquisizione delle attrezzature aggiuntive necessarie alla ricerca. Approfondimento ulteriore dello stato dell'arte. LOCOM Analisi della architettura di controllo di trazione del sistema ROBOVOLC. Analisi della architettura di controllo del prototipo di arto inferiore robotico sviluppato. Messa a punto di un sistema per la acquisizione di misure sul prototipo ALICIA 3 da utilizzare per la stima e validazione di modelli. FUSE Analisi del sistema di localizzazione del robot ROBOVOLC. SLAM Analisi del sistema sensoriale del robot mobile MORDUC. UNDW Progettazione di un tool di simulazione in ambiente Matlab/Simulink per l'implementazione di algoritmi di controllo di AUV. Messa a punto di un sistema per la acquisizione ed elaborazione di immagini da utilizzare per il tracking visivo. - Fase 2 (Mesi 7-12). Costo 14kEuro. LOCOM Sviluppo di algoritmi di controllo di trazione per veicoli multiruota. Formulazione di metodologie di controllo di stabilità del moto per robot bipedi, basate sull'impiego di metodologie Soft-Computing. Modellistica del controllo dell'adesione di climbing robot mediante modelli direction dependent. FUSE Modello tridimensionale del sistema di localizzazione, sviluppo di algoritmi. SLAM Sviluppo di algoritmi per l'aggiornamento di mappe mediante regole Fuzzy. UNDW Modellistica del problema di asservimento ottico. Sviluppo di algoritmi di stima del flusso ottico. Metodi di controllo di assetto di AUV in algebra quaternionica. - Fase 3 (Mesi 13-18). Costo 19kEuro. LOCOM Simulazione ed implementazione delle metodologie di controllo sviluppate su prototipo ROBOVOLC, su prototipo di Bipede e su prototipo ALICIA3. FUSE Simulazione ed implementazione su piattaforma ROBOVOLC delle metodologie di navigazione e localizzazione sviluppate. SLAM Simulazione ed implementazione su piattaforma MORDUC degli algoritmi SLAM sviluppati. UNDW Simulazione di algoritmi di controllo di assetto per AUV. - Fase 4 (Mesi 19-24). Costo 19kEuro. La fase finale della ricerca consisterà per tutte le tematiche nella sperimentazione finale e validazione dei risultati mediante delle campagne di prove. Il confronto con metodologie note in letteratura e con risultati ottenuti dagli altri partner di progetto, permetterà una valutazione critica dei risultati. Inoltre in parallelo a tutte le attività nelle fasi 2-4 si provvederà ad una opportuna divulgazione dei risultati attraverso la partecipazione a congressi sulla robotica mobile in ambito internazionale e mediante la partecipazione alle riunioni di progetto.
