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MISTRAL

Metodologie e Integrazione di Sottosistemi e Tecnologie per la Robotica Antropica e la Locomozione
Methodologies and Integration of Subsystems and Technologies for Anthropic Robotics and Locomotion
 
Workpackage ARCH: Hw/Sw Architectures- Coordinated by POLIMI (Politecnico di Milano)

MINISTERO DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA SCIENTIFICA E TECNOLOGICA
DIPARTIMENTO AFFARI ECONOMICI
PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE
RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO

(DM n. 10 del 13 gennaio 2000)
PROGETTO DI UNA UNITÀ DI RICERCA - MODELLO B
Anno 2000 - prot. MM09184515_007


Parte: I
1.1 Programma di Ricerca di tipo: interuniversitario

Area Scientifico Disciplinare: Ingegneria Industriale e dell'informazione

1.2 Durata del Programma di Ricerca: 24 mesi

1.3 Titolo del Programma di Ricerca

Testo italiano

MISTRAL: Metodologie e Integrazione di Sottosistemi e Tecnologie per la Robotica Antropica e la Locomozione

Testo inglese

MISTRAL: Methodologies and Integration of Subsystems and Technologies for Anthropic Robotics and Locomotion

1.4 Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

SICILIANO BRUNO  
(cognome) (nome)  
Università degli Studi di NAPOLI "Federico II" Facoltà di INGEGNERIA
(università) (facoltà)
K04X Dipartimento di INFORMATICA E SISTEMISTICA
(settore scient.discipl.) (Dipartimento/Istituto)


siciliano@unina.it
(E-mail)


1.5 Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca

MAGNANI GIANANTONIO  
(cognome) (nome)  


Professore associato 12/01/1953 MGNGNT53A12E196K
(qualifica) (data di nascita) (codice di identificazione personale)

Politecnico di MILANO Facoltà di INGEGNERIA
(università) (facoltà)
K04X Dipartimento di ELETTRONICA E INFORMAZIONE
(settore scient.discipl.) (Dipartimento/Istituto)


02/23993673 02/23993412 magnani@elet.polimi.it
(prefisso e telefono) (numero fax) (E-mail)


1.6 Settori scientifico-disciplinari interessati dal Programma di Ricerca

K04X


1.7 Parole chiave

Testo italiano
ARCHITETTURE HARDWARE/SOFTWARE ; MANIPOLAZIONE ; TELEOPERAZIONE

Testo inglese
HARDWARE/SOFTWARE ARCHITECTURES ; MANIPULATION ; TELEOPERATION


1.8 Curriculum scientifico del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca

Testo italiano

GianAntonio Magnani ha conseguito la laurea in Ingegneria Elettronica nel 1978, presso il Politecnico di Milano. Dal 1978 alla metà del 1984 ha lavorato presso il Centro di Ricerca di Automatica dell'ENEL, ove ha partecipato a ricerche sulla modellistica, simulazione e controllo di impianti per la produzione di energia elettrica. Dal 1986 al 1992 ha lavorato presso la Divisione di Robotica e Intelligenza Artificiale della Fiar S.p.A. e presso la Tecnospazio, come responsabile di unità di ricerca e sviluppo, relativamente a vari progetti di applicazioni di robotica industriale e spaziale. Attualmente è Professore Associato di Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo presso il Politecnico di Milano, ove insegna anche Robotica Industriale. Ha pubblicato più di 70 articoli su rivista e in conferenze e 2 libri sulle tecnologie dei sistemi di controllo. Contribuisce all'organizzazione di AIM'01 (conferenza congiunta IEEE/ASME "Advanced Intelligent Mechatronics") come "Local Arrangment Chair" e "Industry-Oriented Session Chair".

Testo inglese

GianAntonio Magnani received the Laurea degree in Electronic Engineering from the Politecnico di Milano, Italy, in 1978. From 1978 to mid 1984 he was with the Automatica Research Center of the Italian Electricity Board (ENEL), where he partecipated in research on modelling, simulation and control of electric power plants. From 1986 to 1992 he was with Fiar Spa, Robotics and Artificial Intelligence Division and with Tecnospazio, a Fiar and Comau (Fiat Group) joint company, and he was responsible of research and development units and led several projects for industrial and space robotics applications. He is currently with Politecnico di Milano as an Associate Professor of Control System Technologies and Engineering. He also teaches Industrial Robotics. He has published more than 70 journal and conference papers and 2 books on control system technologies. He is serving as Local Arrangment Chair and Industry-Oriented Session Chair for AIM'01 (joint IEEE/ASME conference on Advanced Intelligent Mechatronics).

1.9 Pubblicazioni scientifiche più significative del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca
  1. FERRETTI G., MAGNANI G., ROCCO P., "Modelling, identification and compensation of pulsating torque in permanent magnet AC motors" , Rivista: IEEE Transactions on Industrial Electronics , Volume: 45 , pp.: 912-920 , (1998) .
  2. FERRETTI G., FILIPPI S., MAFFEZZONI C., MAGNANI G., ROCCO P., "Modular dynamic virtual-reality modeling of robotic systems" , Rivista: IEEE Robotics & Automation Magazine , Volume: 6 , pp.: 13-23 , (1999) .
  3. FERRETTI G., MAGNANI G., ROCCO P., "Towards the implementation of hybrid position/force control in industrial robots" , Rivista: IEEE Transactions on Robotics & Automation , Volume: 13 , pp.: 838-845 , (1997) .
  4. FERRETTI G., MAGNANI G., ROCCO P., "Force oscillations in contact motion of industrial robots: an experimental investigation" , Rivista: IEEE/ASME Transactions on Mechatronics , Volume: 4 , pp.: 86-91 , (1999) .
  5. BONSIGNORE A., FERRETTI G., MAGNANI G., "Coulomb friction limit cycles in elastic positioning systems" , Rivista: ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement & Control , Volume: 121 , pp.: 298-301 , (1999) .

1.10 Risorse umane impegnabili nel Programma dell'Unità di Ricerca

1.10.1 Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca

Cognome Nome Dipart./Istituto Qualifica Settore
scient.
Mesi
uomo
2000 2001
 
1  MAGNANI  GIANANTONIO  ELETTRONICA E INFORMAZIONE  Prof. associato  K04X  5  5
2  FERRETTI  GIANNI  ELETTRONICA E INFORMAZIONE  Prof. associato  K04X  5  5
3  ROCCO  PAOLO  ELETTRONICA E INFORMAZIONE  Prof. associato  K04X  5  5
 

1.10.2 Personale universitario di altre Università

Cognome Nome Università Dipart./Istituto Qualifica Settore
scient.
Mesi
uomo
2000 2001
 
 

1.10.3 Titolari di assegni di ricerca

Cognome Nome Dipart./Istituto Anno del titolo Mesi
uomo
2000 2001
 
 

1.10.4 Titolari di borse per Dottorati di Ricerca e ex L. 398/89 art.4 (post-dottorato e specializzazione)

Cognome Nome Dipart./Istituto Anno del titolo Mesi uomo
1. OLIVERIO  FABRIZIO  ELETTRONICA E INFORMAZIONE  2002  11 

1.10.5 Personale a contratto da destinare a questo specifico programma

Qualifica Costo previsto Mesi uomo
1. DOTTORE DI RICERCA  25  10 

1.10.6 Personale extrauniversitario dipendente da altri Enti

Cognome Nome Dipart./Istituto Qualifica Mesi uomo


Parte: II
2.1 Titolo specifico del programma svolto dall'Unità di Ricerca

Testo italiano

Architetture di controllo per robot e macchine in ambienti antropici

Testo inglese

Control System Architectures for Robots and Machines in Anthropic Environments

2.2 Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Testo italiano

L'architettura di controllo di una macchina in grado di eseguire compiti complessi e con elevato grado di interazione con l'operatore ha un'organizzazione gerarchica che, semplificando, consiste di un primo livello (livello servo), connesso a sensori ed attuatori di movimento, che esegue le funzioni di attuazione dei comandi di moto, e di un secondo livello (livello di governo), che calcola tali comandi in funzione delle richieste dell'operatore e di informazioni provenienti da sensori eterocettivi. A parte la maggiore complessità, soprattutto del livello di governo, si tratta di un'architettura che ricalca quella delle moderne macchine automatiche di produzione, robot industriali e macchine utensili in particolare. Di notevole interesse applicativo è la problematica della progettazione delle strategie e delle funzioni di controllo (progetto funzionale) in linea con i requisiti di sistema. Metodologie che strutturano il processo di progettazione e assicurano la tracciabilità fra funzioni di controllo e requisiti sono state definite da enti di ricerca come NASA/NIST [1] e ESA/ESTEC [2]. La metodologia proposta dall'ESA (CDM - Control Development Methodology), è stata adottata dalla presente Unità di ricerca nel progetto funzionale di un controllore robotico industriale che aggiunge alle funzioni tradizionali di controllo del moto nuove funzioni derivanti dall'impiego di sensori eterocettivi (in particolare, sensori di forza e visione) [3].
La progettazione funzionale accurata di un sistema composto da parti meccaniche, elettroniche e di controllo (sistema meccatronico), richiede il supporto di strumenti di simulazione integrata multidisciplinare. L'attività in questo campo della presente Unità si inserisce nell'ormai vasto ambito di ricerca sulla modellistica modulare [4],[5],[6],[7],[8],[9]. Uno dei risultati più significativi a riguardo è illustrato in [10]. I principali vantaggi di un effettivo approccio modulare alla modellistica, ottenuto mediante una definizione dichiarativa dei modelli, la standardizzazione delle interfacce ed un approccio object-oriented allo sviluppo del modello ed alla gestione dei dati, consente di facilitare il processo di modellazione, garantirne la tracciabilità e la leggibilità e agevolare il riutilizzo dei modelli.
Le attuali architetture di controllo dei robot e delle macchine automatiche di produzione attuali, presentano al livello servo funzioni di controllo di corrente e posizione degli attuatori, e a livello gestionale funzioni di generazione traiettoria e controllo (coordinamento) del movimento di tutti gli assi. Sembra interessante, sfruttando recenti risultati sul controllo del moto ([11],[12],[13],[14],[15]), introdurre in un'architettura di controllo innovativa algoritmi per l'identificazione e la compensazione dei disturbi di coppia, la compensazione dei fenomeni di elasticità torsionale e degli attriti coulombiani, e di strategie di autotuning. Anche l'affermarsi di nuovi componenti hardware specializzati per il controllo del moto (DSP Analog Device e Texas) motiva lo sforzo di ricerca per l'introduzione di elementi innovativi come questi nelle architetture di controllo.
Passando al livello gestionale dell'architettura, di notevole interesse potenziale appare il collegamento dell'unità di governo in rete internet: per robot e macchine antropiche sembra infatti particolarmente appropriato il concetto di telemanipolazione, ossia di eliminazione del vincolo della vicinanza fisica tra macchina e operatore. Il ruolo giocato da internet in questo contesto è evidentemente cruciale e legato all'importanza crescente, e ormai di dominio pubblico, che questo strumento sta acquisendo nell'information technology. Il fatto che internet sia diventato lo standard nelle comunicazioni telematiche elegge questo protocollo come il più appropriato anche per le operazioni di telemanipolazione, in ragione della riduzione dei costi e della migliore conoscenza date dalla diffusione dello strumento.
Non è tuttavia ancora evidente quali siano le reali potenzialità dello strumento nel controllo remoto di oggetti complessi e potenzialmente pericolosi come i robot, che necessitano di controllo in anello chiuso con bande significativamente elevate, in rapporto ai tempi di comunicazione tipici di internet . Tecniche di controllo remoto di robot manipolatori in presenza di ritardi di comunicazione rilevanti sono state investigate nell'ambito di programmi di robotica spaziale e possono rappresentare un punto di partenza per lo studio del problema.
Per l'implementazione del livello gestionale si ritiene interessante investigare le potenzialità offerte dai prodotti commerciali legati alle reti informatiche, Ethernet e Internet, insieme agli ambienti software per il real-time ad ampia base di utilizzo, come RT-Linux o Microsoft Windows CE, che combinano caratteristiche di real-time spinto (hard) con le funzionalità di grafica a finestre, un ricco corredo di prodotti software, e il supporto al collegamento alla rete Internet. Architetture multiprocessore collegate in modo distribuito in rete Ethernet con sensori di campo sono sempre più diffusi nei sistemi di automazione, e potrebbero trovare interessante applicazione anche in macchine dotate di autonomia operativa.

Testo inglese

The control architecure of a machine tool or a robot, able to perform complex tasks in strict interaction with the operator, is characterized by a hierarchical structure. This structure consists in general of a first level (servo level), based on motion sensors and actuators, performing motion actuation, and a second level (supervisory level), which sets the commands for the servo level according to operator's requests and to informations supplied by eteroceptive sensors. Apart from a major complexity, regarding in particular the supervisory level, this architecture is very similar to those characterizing modern industrial robots and automatic production machines, as machine tools. Architectural functional design, aimed at deriving control strategies and functions from system requirements is an issue of great practical interest. Design methodologies able to manage the design process and to ensure the traceability from requirements to control functions, have been proposed and investigated by research boards such as NASA/NIST [1] and ESA/ESTEC [2]. In particular, the methodology proposed by ESA (CDM - Control Development Methodology) has been adopted by this Research Unit for the functional design of an industrial robot controller, endowed with control capabilities based on eteroceptive sensors [3], in particular force and vision sensors.
An accurate functional design of a system composed by mechanical, electronic and control parts (mechatronic system) calls for the support of multidisciplinary integrated simulation tools. The work of this Research Unit in this field can be cast into the realm of modular modelling [4],[5],[6],[7],[8],[9]. One of the most significant result in this respect is discussed in [10]. The major advantages of a real modular approach to modelling, obtained through a declarative definition of models, the standardization of the interfaces and an object-oriented approach to model development and data management, makes easier the modelling process, ensures its traceability and inspectability and enhance models' reuse.
The servo level of the control architectures of today's robots and automatic production machines is characterized by current and position control functions, while the supervisory level is characterized by trajectory planning and motion control of actuators. Based on recent results on motion control [11],[12],[13],[14], this Research Units aims at investigating algorithms for the identification and compensation of torque ripple, torsional elasticity, Coulomb friction, as well as introducing auto tuning strategies. This research is also fostered by new hardware components for motion control (Analog Devices' and Texas Instruments' DSPs).
Turning to the upper supervisory level of the control architecture, the connection of the control unit to the internet seems to deserve special attention: for an anthropic robot the concept of telemanipulation, namely the elimination of the constraint of the physical closeness between the machine and the operator, seems to be particularly appropriated. The role played by internet within this context is crucial, as it is related to the growing importance of this tool in the information technology. The fact itself that internet has become a standard in telematic communications makes this protocol the most appropriated also for the telemanipulation, in view of the reduction of costs and of the better knowledge given by the diffusion of the tool. However it is not yet evident what is the real potential of internet in the remote control of complex and potentially dangerous instruments like robots, that need closed loop control with significantly wide bandwidths, with respect to the communication times typical of internet. Techniques for remote control of robot manipulators where significant communications delays are present are being investigated in the framework of space robotic programs and can represent a starting point for the study of the problem.
For the implementation of the supervisory level, it should be interesting to investigate commercial networking products, Ethernet and internet,together with general purpose real-time software environments, such as RT-Linux and Microsoft Windows CE, combining hard real-time characteristics with graphical functionalities, software and internet tools. Multiprocessor architectures connected in a distributed way through an Ethernet network with field sensors are more and more common in automation systems and could find an interesting application in a machine characterized by a certain degree of autonomy.

2.2.a Riferimenti bibliografici

Bibliografia
[1]
J.S. Albus, H.G. McCain, R. Lumia: NASA/NIST Standard Reference Model for Telerobot Control System Architecture (NASREM), NIST Technical Note 1235, 1989.
[2]
P. Putz, A. Elfving: ESA's Control Development Methodology for Space A&R Systems, in Robotics and Manuf.: Recent Trends in Research, Education, and Appl. (M. Jamshidi et al., eds.), Vol. 4, pp. 487-492, ASME Press, 1992.
[3]
G. Ferretti, G. Magnani, P. Putz, P. Rocco: The structured design of an industrial robot controller, Control Engineering Practice, Vol. 4, N° 2, February 1996, pp. 239-249.
[4]
M. Andersson: Object-Oriented Modeling and Simulation of Hybrid Systems, PhD Thesis ISRN LUTFD2/TFRT-1043-SE. Department of Automatic Control, Lund Institute of Technology, Lund, Sweden, (1994).
[5]
P. Barton, C. Pantelides: Modeling of combined discrete/continuous processes, AIChE J., 40, 1994, pp. 966-979.
[6]
H. Elmqvist: DYMOLA - Dynamic Modeling Language, Users Manual, Dynasym AB, 1996.
[7]
S.E. Mattsson, M. Andersson: Omola-An object-oriented modeling language, M. Jamshidi and C. J. Herget, editors, Recent Advances in Computer Aided Control Systems, Studies in Automation and Control, Elsevier Science, 9, (1993), pp. 291-310.
[8]
S.E. Mattsson, S.E., H. Elmqvist, M. Otter: Physical system modeling with Modelica, Control Engineering Practice, 6, 4, (1998), pp. 501-510.
[9]
P. Sahlin, E. Sowell: A neutral format for building simulation models, Conference Building '89 IBPSA, Vancouver, Can., June 1989.
[10]
G. Ferretti, S. Filippi, C. Maffezzoni, G. Magnani, P. Rocco: Modular dynamic virtual-reality modeling of robotic systems, IEEE Robotics & Automation Magazine, Vol. 6, N° 4, December 1999, pp. 13-23.
[11]
H. Le Huy, R. Perret, R. Feuillet: Minimization of torque ripple in brushless DC motor drives, IEEE Transactions on Industrial Applications, Vol. 22, July/Aug 1984, pp. 803-813.
[12]
J. Holz, L. Springob: Identification and compensation of torque ripple in high-precision permanent magnet motor drives, , IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 43, Apr. 1996, pp. 309-320.
[13]
T.M. Jahns, W.L. Soong: Pulsating torque minimization techniques for permanent magnet AC motor drives - A review, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 43, Apr. 1996, pp. 321-330.
[14]
Ferretti G., G. Magnani and P. Rocco.
Modelling, identification and compensation of pulsating torque in permanent magnet AC motors IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 45, N° 6, December 1998, pp. 912-920.
[15]
Ferretti G., G. Magnani, and P. Rocco.
LQG control of elastic servomechanisms based on motor position measurements
AMC'98
Coimbra, June 29-July 1, 1998, pp. 617-622.
[16]
Bonsignore A., G. Ferretti and G. Magnani.
Analytical formulation of the classical friction model for motion analysis and simulation
Mathematical & Computer Modelling of Dynamical Systems
Vol. 5, N° 1, March 1999, pp. 43-54.

2.3 Descrizione del programma e dei compiti dell'Unità di Ricerca

Testo italiano

Il programma dell’Unità di Ricerca di Milano (http://131.175.16.168/) si articola in tre temi: Architetture (ARCH), Manipolazione (MANIP), Telemanipolazione (TELE). Del primo di questi temi, l’Unità di Ricerca sarà anche coordinatrice.
In linea generale, la ricerca è incentrata sul controllo dei robot e delle macchine in ambiente antropico. Coordinando il tema di ricerca ARCH, ci si pone l’obiettivo di progettare, realizzare e sperimentare un prototipo di un’architettura di controllo di tali sistemi con gli scopi principali di investigare la possibilità di introdurre, da un lato, nuovi algoritmi di controllo ed autotaratura e, dall'altro, elementi innovativi negli aspetti gi gestione ed interfaccia uomo-macchina. Si vuole, in particolare, comprendere quali tra gli algoritmi proposti nelle letteratura sul controllo del moto sia opportuno implementare e con quali impatti di complessità e costo. A supporto di quest'attività si adotteranno una metodologia e strumenti di simulazione che permettano di soddisfare i requisiti di progetto con efficacia, coerenza e tracciabilità tra requisiti e scelte progettuali.
Sistemi di manipolazione di una certa complessità, come quelli considerati nel tema MANIP, coordinato da UNIBO, del programma di ricerca, offrono spunti di grande interesse per la concezione, la progettazione e lo sviluppo di strumenti integrati di simulazione degli aspetti meccanici ma anche elettronici e controllistici, che nel loro complesso ne determinano le prestazioni. Questo giustifica e inquadra la partecipazione a tale tema.
Il progetto di hardware e software sarà guidato dalla scelta di fondo di utilizzare per quanto possibile prodotti commerciali a larga diffusione (standard di fatto). Questo porta inevitabilmente a dover considerare anche gli aspetti di innovazione propri di Internet. A questo riguardo si ritiene cruciale investigare le problematiche di controllo remoto (teleoperazione) di una macchina in ambiente antropico, in particolare un robot, attraverso Internet, con la partecipazione al relativo tema (TELE, coordinato da UNIROMA2) del programma.
Entrando più in dettaglio, le attività previste, relativamente a i tre temi sono le seguenti:
Tema architetture HW/SW (ARCH)
Obiettivo di questo tema sarà il progetto e la realizzazione, in forma prototipale, di un’architettura di controllo per strutture robotiche in ambiente antropico. Come descritto nella base di partenza scientifica, ci si riferirà ad un paradigma architetturale a due livelli, servo e gestionale. Il primo è dedicato alla chiusura degli anelli locali di controllo del moto, il secondo al coordinamento dei riferimenti per il controllo del moto, anche sulla base di misure di sensori eterocettivi.
Tra i vari aspetti peculiari della ricerca, cui collaboreranno UNIBO, UNIPI, UNIROMA2 e POLITO, citiamo i seguenti:

  • Utilizzo di metodologie formali di Control Engineering, ossia di metodologie codificate che, passando attraverso la stesura di un progetto funzionale del sistema di controllo, ed ispirandosi per molti versi alle metodologie dell’Ingegneria del Software, consentano di soddisfare le specifiche di progetto in modo sistematico.

  • Sviluppo di strutture di controllo aperte, ossia basate, per il livello di governo, su sistemi HW a larga diffusione (PC o workstation), dotate di sistema operativo real time ricchi di funzionalità e software applicativi, quali Linux RT o Windows CE, in grado di dialogare con il livello servo, che può risiedere su sistemi differenti.

  • Acquisizione a livello di controllo gestionale delle misure di sensori eterocettivi, eventualmente dotati di qualche forma di intelligenza autonoma (anche limitata alla diagnostica di malfunzionamenti). Si valuteranno anche i vantaggi legati al possibile collegamento dei sensori in reti locali (di tipo Ethernet) tra loro e con i processori dell’unità di controllo di livello governo. A questo livello verrà anche gestita l'interfaccia ad un operatore remoto.

  • Impiego a livello servo di componenti in grado di aggiungere, eventualmente con il contributo del livello gestionale, alle normali funzionalità di chiusura di anelli di regolazione del moto, operazioni quali autotuning, stima e compensazione di disturbi (in particolare disturbi di coppia dei motori), compensazioni di non linearità (attriti e giochi).

Si prevede la seguente suddivisione in fasi del programma:
Fase 1 (6 mesi, costo: 17 ML = 8779.77 Euro)
Si studia lo stato dell’arte sulle architetture di governo di macchine in ambiente antropico, sia per il livello servo che per quello gestionale. Si indagano anche le metodologie di ingegneria del controllo e gli strumenti di progetto funzionale delle architetture di controllo proposte in letteratura.
Fase 2 (6 mesi, costo: 25 ML = 12911.4 Euro)
Scelto un modello di riferimento tra quelli codificati in letteratura, si stendono le specifiche ed il progetto funzionale sia del livello servo che di quello di governo, per una macchina in grado di eseguire compiti complessi. Si stende anche il progetto implementativo (non di dettaglio).
Fase 3 (6 mesi, costo: 30 ML = 15493.7 Euro)
Sulla base del progetto precedentemente eseguito, si realizzano dei prototipi di unità servo e gestionale. Come già accennato, per l’unità servo si utilizzeranno componenti dedicati al motion control, arricchiti di nuove funzionalità, mentre per l’unità di governo strutture aperte (PC con RTAI-Linux o MS Windows CE).
Fase 4 (6 mesi, costo: 18 ML = 9296.22 Euro)
Nell’ultima fase si procederà al test ed alla valutazione dei prototipi precedentemente realizzati, eseguendo confronti con realizzazioni commerciali, discutendo l’utilità di ulteriori funzionalità o di revisioni al progetto funzionale.
Le varie fasi comprenderanno anche le attività di diffusione dei risultati, come previste, per il progetto completo, nel modello A.
Tema manipolazione (MANIP)
Il contributo dell’unità di Milano su questo tema vuole essere complementare a quelli di altre unità, sviluppato con il supporto di strumenti di simulazione particolarmente accurati negli aspetti più critici, come la simulazione di attriti e dei contatti, e capaci di descrivere, ad esempio, un task di presa completo: dal moto libero delle dita, al contatto controllato. In tale modo si può affrontare correttamente il progetto funzionale del sistema di controllo, sia dal punto di vista dell’analisi teorica che dal punto di vista dell’analisi degli aspetti implementativi, coniugando lo studio della dinamica "multi-body" con la corretta descrizione e simulazione delle dinamiche rilevanti di azionamenti, sensori ed attuatori e degli algoritmi di controllo digitale.
Tema teleoperazione (TELE)
Su questo tema, l’unità di Milano prevede di contribuire con un’esperienza di collegamento in rete internet di un controllore aperto di robot. Occorre definire quale sia il livello (presumibilmente non il livello servo) al quale consentire l’accesso remoto, con quali modalità, con quali livelli di sicurezza. Uno degli approcci che ci si propone di seguire prevede un certo grado di autonomia operativa del robot, con la possibilità quindi dell’operatore di intervenire ("shared autonomy") in momenti prestabiliti (più o meno ravvicinati, secondo quanto prestabilito in fase di pianificazione delle operazioni), durante l’esecuzione di un compito complesso.

Testo inglese

The program of the Research Unit in Milano (http://131.175.16.168/) is organized in three workpackages: Architectures (ARCH), Manipulation (MANIP), Telemanipulation (TELE). This Unit will coordinate the first of these workpackages.
In general, the research is focused on the control of robots and machines in an anthropic environment. With the coordination of the research workpackage ARCH, the main goal is the design, realization and experimental testing of a prototype for a control architecture of such systems, with the aim of investigating the introduction of new control and autotuning algorithms, which are not available in present control units. In particular, one goal is to understand what modifications of the present architectures are necessary, what are their impact on the costs and complexity of the system and, as a consequence, what algorithms and control functions should be implemented.
To ensure the fulfillment of performance specifications, efficacy, coherency and tracebility from user requirements to design choices, a work methodology and simulation support tools will be adopted.
Manipulation systems of a certain complexity, as those considered in the workpackage MANIP, coordinated by UNIBO, of the research program, strongly foster the conception, design and development of integrated simulation tools of mechanical as well as electronic and control aspects which jointly determine the system performance. This explains the participation of this unit in this workpackage.
The hardware and software design will be guided by the underlying choice to use commercial wide spread products (actual standards). This clearly leads to consider the innovation aspects related to Internet. With this respect it is believed that an important point will be to investigate the problems of remote control (teleoperation) of a machine in an anthropic environment, in particular a robot, through the Internet, with the participation in the related workpackage (TELE, coordinated by UNIROMA2) of the program.
In more detail, the foreseen activities, with reference to the three workpackages, are the following ones:
Workpackage architectures HW/SW (ARCH)
The goal of this workpackage will be the design and realization, in a prototype form, of a control architecture for robotic structures in an anthropic environment. As written in the part describing the scientific state of the art, reference will be made to an architectural paradigma organized in two levels, servo and supervision. The first one id devoted to closing the local loops of the motion control, the second one to the coordination of the setpoints for the motion control, possibly on the basis of the measures coming from eteroceptive sensors.
Among the peculiarities of the research, whose participating units are UNIBO, UNIPI, UNIROMA2 and POLITO, the following ones are mentioned:

  • Use of formal methodologies of Control Engineering, namely of coded methodologies, which, through a functional design of the control system, and taking inspiration from Software Engineering methodologies, allow to systematically fulfill the design requirements.

  • Development of open control structures, based, for the supervision level, on wide spread platforms (PC or workstations), endowed with a real time operating system, such as Linux RT or Windows CE. The supervision level will be able to dialogue with the servo level, that could run on different systems.

  • In the supervision level, measures of eteroceptive sensors will be acquired, and the interface to a remote operator will be handled. The sensors are possibly endowed with some form of autonomous intelligence (maybe just fault detection). The possible improvements related to the connection of the sensors (among themselves and with the processors of the control unit of the supervision level) in local networks (based on Ethernet interfaces) will be assessed.

  • Use in the servo level of components which are able, possibily with support from the supervision level, to add to the usual functions of loop closure for motion control, other operations, such as autotuning, disturbance estimation and compensation (in particular motor torque disturbances), compensation of nonlinearities (friction and backlash).

The program will be broken down in the following phases:
Phase 1 (6 months, cost: 17 ML = 8779.77 Euro)
The state of the art on the control architecture of machines in anthropic environment is studied, both for the servo level and for the supervision upper level. The control engineering methodologies and the tools for the functional design of control architectures proposed in the literature are studied as well.
Fase 2 (6 months, cost: 25 ML = 12911.4 Euro)
Once a reference model has been selected among those coded in the literature, the specifications and the functional project are produced. These apply both to the servo level and to the supervision level of a machine able to execute complex tasks. The implementation project (not a detailed one) is produced as well.
Phase 3 (6 months, cost: 30 ML = 15493.7 Euro)
Based on the above project, some prototypes of servo and supervision control units are realized. As already mentioned, components dedicated to motion control (possibly endowed with new functions) will be used for the servo unit, while open structures (PC with real time software) will be used for the upper control level.
Phase 4 (6 months, cost: 18 ML = 9296.22 Euro)
In the last phase the prototypes will be tested, making comparisons with commercial solutions and discussing the advantages of further control functions or revisions to the project. Publication and dissemination of the results will also characterize each phase, as described, for the general project, in the "model A".
Workpackage manipulation (MANIP)
The contribution of this unit on this research workpackage will be complementary to the ones of the other units. It will be developed with the support of simulation tools, characterized by high accuracy in reproducing the most critical aspects, such as simulation of friction and contacts. These simulation tools are able to describe, for example, a complete grasping task: from free motion of the fingers to the controlled contact. In this way the functional project of the control system can be carried on correctly, both from the point of view of the theoretical analysis and of the implementation aspects, putting together the study of the multi-body dynamics with the description and simulation of the dynamics of the current servos, sensors, actuators and digital control algorithms.
Workpackage teleoperation (TELE)
The contribution of this unit on this workpackage consists in an experience of connection to the internet of an open robot controller. The level (probably not the servo one) where to allow remote access will be defined, as well as the procedures and the safety levels. One of the approaches that will be followed is based on a certain degree of operating autonomy of the robot ("shared autonomy"), where the human operator is allowed to operate in predetermined moments (more or less close one to each other, based on the planning of the operations), during the execution of a complex task.

2.4 Descrizione delle attrezzature già disponibili ed utilizzabili per la ricerca proposta

Anno di acquisizione Descrizione
Testo italiano Testo inglese
1.  1992 Robot COMAU SMART 6S: robot manipolatore antropomorfo a 6 gradi di libertà, strumentato con sensore di forza e sensore laser di distanza e con controllore COMAU C3G 9000 interfacciato ad un PC (controllore "aperto")  COMAU SMART 6S robot: Antropomorphic 6 degrees of freedom manipulator, with COMAU C3G controller interfaced bus-to-bus to a PC (open controller) and instrumented with a force sensor and a laser distance sensor. 
2.      
3.      
4.      
5.      


2.5 Descrizione della richiesta di Grandi attrezzature (GA)

Attrezzatura I
Descrizione

valore presunto (milioni)   percentuale di utilizzo per il programma

Attrezzatura II
Descrizione

valore presunto (milioni)   percentuale di utilizzo per il programma


Parte: III
3.1 Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca

Voce di spesa Spesa Descrizione
Euro Testo italiano   Testo inglese  
Materiale inventariabile 25  12.911  Personal Computers per analisi, simulazione, acquisizione ed elaborazione dati e per controllo real time.  Personal Computers for analysis, simulation, data acquisition and processing, and real time control. 
Grandi Attrezzature        
Materiale di consumo e funzionamento 2.582  Componenti hardware per la realizzazione di un ambiente di sperimentazione e test.  Test bench hardware components and materials. 
Spese per calcolo ed elaborazione dati 10  5.165  Software a supporto di progetto, simulazione, acquisizione e analisi dei dati.  Software tools for data analysis, mathematical modeling and simulation. 
Personale a contratto 25  12.911  Il dottore di ricerca avrà l'incarico di svolgere ricerche su uno o più dei temi e sottotemi di in carico all'Unità.  To carry out research activity on one ore more workpackages. 
Servizi esterni        
Missioni 25  12.911  Partecipazione a conferenze e incontri internazionali: 3 oltreoceano, 3 in Europa, alcune in Italia.  Participation to international meetings (3 overseas, 3 within Europe, several in Italy). 
Altro        


  Euro
Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca 90  46.481 
 
Costo minimo per garantire la possibilità di verifica dei risultati 70  36.152 
 
Fondi disponibili (RD) 16  8.263 
 
Fondi acquisibili (RA) 11  5.681 
 
Cofinanziamento richiesto al MURST 63  32.537 
 


Parte: IV
4.1 Risorse finanziarie già disponibili all'atto della domanda e utilizzabili a sostegno del Programma

QUADRO RD

Provenienza Anno Importo disponibile nome Resp. Naz. Note
Euro
Università          
Dipartimento 1999   4.648     
MURST (ex 40%)          
CNR 1999   3.615     
Unione Europea          
Altro          
TOTAL   16  8.263     

4.1.1 Altro


4.2 Risorse finanziarie acquisibili in data successiva a quella della domanda e utilizzabili a sostegno del programma nell'ambito della durata prevista

QUADRO RA

Provenienza Anno della domanda o stipula del contratto Stato di approvazione Quota disponibile per il programma Note
Euro
Università          
Dipartimento 2000   accettato  4.648   
CNR          
Unione Europea          
Altro 1999   contratto stipulato  1.033   
TOTAL     11  5.681   

4.2.1 Altro

Contratto di ricerca con STMicroelectronics SpA

4.3 Certifico la dichiarata disponibilità e l'utilizzabilità dei fondi di cui ai punti 4.1 e 4.2:      SI     

Firma ____________________________________________




(per la copia da depositare presso l'Ateneo e per l'assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i programmi finanziati; legge del 31.12.96 n° 675 sulla "Tutela dei dati personali")




Firma ____________________________________________ 29/03/2000 13:22:10     





Last updated: February 5, 2002
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