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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 INTER: Interaction - Coordinated by POLITO (Politecnico di Torino)

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_005


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

BONA BASILIO  
(cognome) (nome)  


Professore ordinario 27/05/1948 BNOBSL48E27L219B
(qualifica) (data di nascita) (codice di identificazione personale)

Politecnico di TORINO Facoltà di INGEGNERIA III (Ingegneria dell'Informazione) (sede TORINO)
(università) (facoltà)
K04X Dipartimento di AUTOMATICA E INFORMATICA
(settore scient.discipl.) (Dipartimento/Istituto)


011/5647023 011/5647099 bona@polito.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
CONTROLLO DELL'INTERAZIONE ; IMPATTO ; BRACCI FLESSIBILI ; ARCHITETTURE HW/SW ; VISIONE PER PIANIFICAZIONE E CONTROLLO ; LOCOMOZIONE

Testo inglese
INTERACTION CONTROL ; IMPACT ; FLEXIBLE ARMS ; HW/SW ARCHITECTURES ; VISION FOR PLANNING AND CONTROL ; LOCOMOTION


1.8 Curriculum scientifico del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca

Testo italiano

Basilio Bona si è laureato nel 1971 in Ingegneria Elettrotecnica al Politecnico di Torino.
Dal 1986 è professore ordinario di Robotica Industriale presso il Politecnico di Torino, dove tiene il corso di Robotica Industriale. Ha ricoperto dal 1989 al 1993 la carica di Direttore del Dipartimento di Automatica e Informatica. Dal 1993 fa parte del Senato Accademico, dove coordina la Commissione per la Qualità della Didattica. Attualmente ricopre la carica di Presidente del Centro di Prototipazione del Politecnico di Torino (CSPP); è stato Presidente della Sezione di Torino dell'ANIPLA (Associazione Nazionale Italiana Per L'Automazione) dal 1994 al 1998.
I suoi interessi di ricerca si focalizzano nei settori della modellisstica e controllo di manipolatori industriali, delle applicazioni industriali del controllo digitale, della meccatronica, del controllo di bracci robotici e strutture elastiche mediante trasduttori piezoelettrici e delle applicazioni della logica fuzzy e delle reti neurali.
È autore di oltre 110 pubblicazioni scientifiche su riviste e atti di congressi.

Testo inglese

Basilio Bona obtained the Laurea degree in Electrical Engineering in 1971 at Politecnico di Torino.
Since 1986 he is full professor of Industrial Robotics; from 1989 to 1993 he was appointed Chairman of the Computer Science and Control Department of Politecnico di Torino.
Presently he is member of the Academic Senate and President of the Prototyping Services Center of Politecnico di Torino (CSPP). He was President of the Turin chapter of ANIPLA (the Italian Association for Automation) between 1994 and 1998.
His recent research interests include modeling and control of insutrial robots, robotic arms and elastic structures control with piezoelectric transducers, industrial applications of digital control, mechatronics, fuzzy logic and neural nets.
He is author of more than 110 papers on congress proceedings and international journals.

1.9 Pubblicazioni scientifiche più significative del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca
  1. BONA B., INDRI M., TORNAMBE` A., "Flexible Piezoelectric Structures - Approximate Motion Equations and Control Algorithms" , Rivista: IEEE Transactions on Automatica Control , Volume: 42 , pp.: 94-101 , (1997) .
  2. BONA B., INDRI M., TORNAMBE` A., "Piezoelectric Materials: Continuous-time and Discrete-time Dynamic Models and Control" , Rivista: Proc. 32nd IEEE Conference on Decision and Control , pp.: 1383-1389 , (1993) .
  3. CALAFIORE G., BONA B., "Constrained Optimal Fitting of Three-dimensional Vector Patterns" , Rivista: IEEE Transactions on Robotics and Automation , Volume: 14 , pp.: 838-844 , (1998) .
  4. CALAFIORE G., CARABELLI S., BONA B., "Structural interpretation of transmission zeros for matrix second order systems" , Rivista: Automatica , Volume: 33 , pp.: 745-748 , (1997) .
  5. BONA B., CALAFIORE G., INDRI M., "Calibration of Robotic Manipulators: a Robust Approach" , Rivista: Proc. First IFAC Conference on Mechatronic Systems in corso di pubblicazione .

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  BONA  BASILIO  AUTOMATICA E INFORMATICA  Prof. ordinario  K04X  6  6
2  CALAFIORE  GIUSEPPE  AUTOMATICA E INFORMATICA  Ricercatore  K04X  4  4
3  GRECO  COSIMO  AUTOMATICA E INFORMATICA  Prof. associato  K04X  2  2
4  INDRI  MARINA  AUTOMATICA E INFORMATICA  Ricercatore  K04X  8  8
 
5  CARABELLI  STEFANO  AUTOMATICA E INFORMATICA  Tecnico VII liv    2  2

1.10.2 Personale universitario di altre Università

Cognome Nome Università Dipart./Istituto Qualifica Settore
scient.
Mesi
uomo
2000 2001
 
1  LEO  TOMMASO  ANCONA  ELETTRONICA ED AUTOMATICA  Prof. ordinario  K04X  3  3
2  LONGHI  SAURO  ANCONA  ELETTRONICA ED AUTOMATICA  Prof. associato  K04X  3  3
 

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. SMALDONE  NICOLA  AUTOMATICA E INFORMATICA  2002  18 

1.10.5 Personale a contratto da destinare a questo specifico programma

Qualifica Costo previsto Mesi uomo
1. Laureato  20 
2. Laureato  20 

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

Metodi, Architetture e Dispositivi per l'Interazione di Robot Fissi e Mobili con l'Ambiente

Testo inglese

Methods, Architectures and Devices for the Interaction of Fixed and Mobile Robots with the Environment

2.2 Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Testo italiano

La realizzazione di sistemi robotici operanti in ambienti antropici richiede un controllo "completo" dell'interazione del robot con l'ambiente esterno, intesa sia come controllo degli urti (desiderati oppure no) e delle forze scambiate al contatto con superfici esterne, sia come pianificazione e controllo del moto del robot inserito in un ambiente solo parzialmente strutturato o non strutturato. Il controllo dell'interazione può riguardare naturalmente sia robot fissi, che debbano eseguire compiti di manipolazione interagendo con oggetti esterni, sia robot mobili, che debbano avvicinarsi ad altri corpi e/o robot ed entrare in contatto con essi in maniera appropriata.

Il problema del controllo dell'urto, ovvero del controllo della transizione dallo stato di moto libero del braccio robotico alla condizione di contatto, rimane tuttora aperto, anche se negli anni più recenti sono apparse in letteratura nuove ed interessanti soluzioni: oltre ai numerosi riferimenti riportati in [1], si possono ricordare gli articoli [2]-[9]. I principali problemi riguardano la possibilità di avere perdite di contatto dopo il primo impatto del manipolatore con l'oggetto esterno, tipicamente a causa di dinamiche non modellate e/o di ritardi nell'anello di controllo, introdotti dai sensori e dai trasduttori utilizzati. Sarebbe inoltre auspicabile garantire risultati soddisfacenti, in termini di riduzione degli effetti dell'impatto durante i primi istanti (per preservare l'integrità della struttura del manipolatore e degli oggetti con cui interagisce), di mantenimento del contatto e di regolazione delle forze scambiate a valori assegnati, anche nel caso di strutture dotate di elasticità distribuita. La maggior parte degli schemi di controllo dell'impatto finora sviluppati riguardano infatti strutture rigide, con elasticità concentrata sulla punta (ove avviene l'urto con l'ambiente esterno), mentre alcuni risultati relativi a strutture flessibili sono riportati in [10]-[13].

Nel controllo dell'impatto può essere opportuno integrare informazioni provenienti da sensori di tipo diverso [14], [15] (sensori di forza e coppia, sensori tattili e di contatto, sensori di visione, ecc.) per consentire la gestione non solo algoritmica dell'interazione, ma ampliandola ad aspetti che comprendano controllori ibridi - operanti su base di stati logici che attivano modalità di interazione diversificate - macchine a stati finiti, problemi di sicurezza e affidabilità, ecc.

L'integrazione di informazioni provenienti da sensori di tipo diverso è di interesse anche per la navigazione e guida di robot mobili. Negli ultimi anni l'intelligenza di un robot mobile non viene associata tanto all'uso di tecniche di controllo intelligenti quanto alla possibilità di incrementare l'autonomia del sistema. Un robot mobile può essere considerato come un sistema autonomo intelligente capace di prendere decisioni autonome indipendentemente dalla sua conoscenza a priori dell'ambiente e di selezionare, integrare, fondere e usare al meglio i dati sensoriali eterogenei a sua disposizione. Per essere effettivamente intelligente e autonomo esso deve essere in grado di agire in ambienti con incertezze più o meno rilevanti. La fusione sensoriale fornisce un contributo rilevante per la riduzione delle incertezze che si incontrano durante la navigazione, l'aggiramento di ostacoli, l'integrazione di nuove osservazioni per aggiornare le mappe di ambienti e per coordinare i vari sistemi sensoriali utilizzati nella localizzazione del veicolo rispetto all'ambiente.

Per la costruzione di mappe ambientali utilizzate nelle procedure di aggiramento di ostacoli, generalmente vengono utilizzate misure provenienti da sensori sonar. In letteratura negli ultimi anni sono apparse interessanti soluzioni basate su metodi probabilistici, robusti, deduttivi e fuzzy (si veda ad esempio [16], [17] e [20]). Per ridurre l'incertezza presente nella costruzione di queste mappe ambientali sarebbe auspicabile realizzare una efficiente fusione di misure sonar con misure rilevate da sensori di visione. L'uso sinergico di questi sensori permetterebbe di adattarsi a maggiori cambiamenti ambientali e ad eventuali malfunzionamenti dei sensori in modo da permettere un processo di modellizzazione dinamica dell'ambiente.

Per la localizzazione di un robot mobile rispetto all'ambiente in cui opera esistono diverse tecniche che utilizzano sia sensori interni sia esterni e che permettono di ridurre l'incertezza associata alle misure prelevate dai sensori (si veda ad esempio [18], [19]). Anche in questo contesto per incrementare l'accuratezza nella localizzazione del veicolo sono allo studio tecniche di filtraggio non lineare che prevedono l'utilizzo di sistemi di visione per integrare le misure odometriche e/o inerziali.

Testo inglese

A complete control of the robot interaction with the external environment is required for the realization of anthropic robotic systems. In fact, for such applications, the interaction control must include not only impact and contact force control, in the case of desired or unexpected impacts of the manipulator with external bodies, but also a general motion planning and control of the robot, which must operate in a safe way in an unstructured or only partially structured environment. Besides, interaction control can be applied both to fixed robots, which must perform manipulation tasks with external objects, and to mobile robots, which must approach other bodies and/or robots, and achieve a stable contact with them.

The problem of impact control, i.e. of the control of the transition from the robot free motion condition to the contact one, is still open, even if in the most recent years new, interesting solutions have been proposed (see e.g. [2]-[9], and the several references reported in [1]).
The main problems are relative to possible contact losses after the first robot impact against the external object, often due to unmodeled dynamics and/or to delays that are introduced into the control feedback loop by the employed sensors and transducers. Besides, in many applications it would be desirable to guarantee a satisfying reduction of the impact effects during the first time instants (to preserve both the manipulator mechanical structure and the objects which it interacts with), a stable contact, and the regulation of the contact forces to assigned reference values, also in the case of flexible links. Several among the impact control schemes that have been developed so far, are applied in fact to rigid robotic structures, having concentrated elasticity only on the end-effector, where impact occurs; some partial results relative to flexible structures are reported in [10]-[13].

Finally, impact control could be improved also by integrating the information provided by different kinds of sensors [14], [15] (e.g. force and torque sensors, tactile and contact sensors, vision sensors, etc.), in order to obtain not only the algorithmic control of the interaction, but also its complete management, including the use of hybrid controllers, which can regulate the application of different interaction control strategies on the basis of logic procedures, the execution of safety routines, etc.

The integration of data produced by different sensor devices is also a significant feature for the navigation and guidance of mobile robots. In the last years, the intelligence of a mobile robot is generally associated to the possibility of increasing the system autonomy. A mobile robot can be considered as an intelligent autonomous system able to take autonomous decisions, independently of the a priori knowledge of the environment, to choose and to fuse the heterogeneous sensor data. The environment is generally characterised with different uncertainties and the sensor fusion introduces a significant reduction of these uncertainties during the robot navigation, the obstacle avoidance, the environment map building and the vehicle localisation.

The environment maps used in the obstacle avoidance algorithms are generally built with environment measures acquired by a set of sonar sensors. In the literature, different approaches are analysed. These approaches are based on the probabilistic and robust theory, on the deductive theory and on the fuzzy theory (see e.g., [16], [17], [20]). For reducing the uncertainties on the environment map-building a useful aspect to investigate is the fusion of sonar range readings with the monocular visual information. The use of these sensors allows to introduce a dynamical modelling of the environment by an adaptation to the significant environment changes and to possible sensors failures.

For the mobile robot localisation there are different procedures using internal and external sensors and which are able to reduce the uncertainties of the sensor measures (see e.g., [18], [19]). In this context, the accuracy of the robot localisation can be improved by non-linear filtering techniques applied to visual, odometric and inertial sensors measures.

2.2.a Riferimenti bibliografici

[1] B. Brogliato, Nonsmooth Impact Mechanics, London: Springer-Verlag, 1996.
[2] B. Brogliato, S.-I. Niculescu, and P. Orhant, "On the Control of Finite-Dimensional Mechanical Systems with Unilateral Constraints," IEEE Trans. on Automatic Control, 42, 2, 200-215, 1997.
[3] N. Mandal and S. Payandeh, "Control Strategies for Robotic Contact Tasks: An Experimental Study", J. of Robotic Systems, 12, 1, 67-92, 1995.
[4] T.-J. Tarn, Y. Wu, N. Xi, and A. Isidori, "Force Regulation and Contact Transition Control", IEEE Control Systems, 16, 1, 32-40, 1996.
[5] A. Tornambè, "Global regulation of a planar robot arm striking a surface", IEEE Trans. on Automatic Control, 41, 10, 1517-1521, 1996.
[6] A. Tornambè. "Modeling and control of Impact in Mechanical Systems: Theory and Experimental Results", IEEE Trans. on Automatic Control, 44, 2, 294-309, 1999.
[7] M. Indri, A. Tornambè, "Impact model and control of two multi-dof cooperating manipulators", IEEE Transactions on Automatic Control, 44, 6, 1297-1303, 1999.
[8] M. Indri, A. Tornambè, "Impact Control Under Elastic/Plastic Deformations", European Control Conference (ECC '99), Karlsruhe, Germany, 1999.
[9] M. Indri, A. Tornambè, "Robust Control of a Simple Mechanical System subject to Impacts", 3rd IFAC Symposium on Robust Control Design (ROCOND 2000), Prague, Czech Republic, June 21-23, 2000.
[10] F.L. Hu, A.G. Ulsoy, "Dynamic Modeling of Constrained Flexible Robot Arms for Controller Design", ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 116, 56-65, 1994.
[11] J. Sá Da Costa, J. Figueiredo, "Results in Position/Force Control of Flexible Link/Joint Manipulators", 4th IFAC Symposium on Robot Control, 503-508, 1994.
[12] A.S. Yigit, "On the Use of an Elastic-Plastic Contact Law for the Impact of a Single Flexible Link", ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 117, 527-533, 1995.
[13] S. Sur, R.M. Murray, "Simultaneous Force-Position Control for Grasping Using Flexible Link Manipulators", American Control Conference, 1997.
[14] J. Baeten, H. Bruyninckx, J. De Schutter, "Combining eye-in-hand visual servoing and force control in robotic tasks using the task frame", Proc. 1999 IEEE/SICE/RSJ Int. Conf. On Multisensor Fusion and Integration for Intelligent Systems (MFI '99), 141 -146, 1999.
[15] T. Ishikawa, S. Sakane, T. Sato, H. Tsukune, "Estimation of contact position between a grasped object and the environment based on sensor fusion of vision and force",
Proc. 1996 IEEE/SICE/RSJ Int. Conf. On Multisensor Fusion and Integration for Intelligent Systems (MFI '96), 116 -123, 1996.
[16] J.J. Leonard, H.F. Durrant-Whyte, "Dynamic map building for an autonomous mobile robot", Int. J. of Robotics Research, vol. 11, 1992.
[17] A. Barchiesi, L. Jetto, S. Longhi, "On line fusion of sonar maps for multirobot systems cooperating in a partially unknown environment", (Eds. A Tornambè, G. Conte and A.M. Perdon), World Scientific, Singapore, 1999, pp. 136-141, (Proceedings of the IEEE Mediterranean Conference on Control and Automation, Alghero, Italy, June 1998).
[18] L. Jetto, S. Longhi, G Venturini, "Development and experimental validation of an adaptive extended Kalman filter for the localization of mobile robots", IEEE Trans. on Robotics and Automation, 15, 2, 219-229, 1999.
[19] L. Jetto, S. Longhi, D. Vitali, "Localization of a wheeled mobile robot by sensor data fusion based on a fuzzy logic adapted Kalman filter", Control Engineering Practice, 7, 763-771, 1999.
[20] L. El Ghaoui, G. Calafiore, "Deterministic State Prediction under Structured Uncertainty", Proceedings of the 1999 American Control Conference,
San Diego, 1999.
[21] G. Calafiore, B. Bona, "Constrained Optimal Fitting of Three-dimensional Vector Patterns", IEEE Trans. on Robotics and Automation, 14, 838-844, 1998.
[22] S. Carabelli, A. Argondizza, M. Chiaberge, A. Delmastro, E. Miranda, "Rapid Prototyping of Control Hardware and Software for Electromechanical Systems", submitted to Mechatronics 2000 Conference, invited paper on "Rapid Prototyping for Motion Control".

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

Testo italiano

Nel seguito, per indicare le varie Unità di Ricerca, verranno usati gli acronimi introdotti nel Modulo A.

L'unità POLITO http://ladiserver1.polito.it/robotica/labrob/ svolge funzioni di coordinamento dell'attività di ricerca nell'ambito del tema dedicato all'Interazione (INTER), al cui sviluppo collaborano anche le unità UNIBO, UNINA e UNIPI, come illustrato nel Modello A

All'interno di tale tema, POLITO si occuperà principalmente dello studio, sia teorico, sia sperimentale, di algoritmi ed architetture di gestione e controllo che permettano ad un braccio robotico di muoversi in condizioni di sicurezza in ambienti parzialmente strutturati. L'obiettivo primario sarà quello di garantire al robot la capacità di gestire sia urti indesiderati, sia urti "previsti" in condizioni di conoscenza scarsa o nulla delle caratteristiche geometriche e strutturali dell'ambiente con cui entra in contatto

Alcuni importanti risultati sono già stati ottenuti nell'ambito del Programma biennale di Ricerca RAMSETE (cofinanziato dal MURST nel 1998), riguardanti il modello ed il controllo dell'impatto di robot cooperanti a struttura rigida [10] ed il controllo dell'impatto in presenza di deformazioni elastiche e plastiche [11], sulla base di uno schema di controllo sperimentalmente validato in [12] nel caso di un braccio rigido che entra in contatto con superfici esterne con differenti caratteristiche di rigidezza. Sulla base di tali risultati, lo studio del controllo dell'impatto verrà esteso al caso di strutture flessibili, semi-flessibili o composite, ovvero strutture leggere o dotate di anima rigida e rivestimento morbido, utilizzabili per applicazioni della cosiddetta "robotica di servizio" (ad esempio per compiti di ausilio ai disabili) o in ambienti ostili, quale ad esempio quello spaziale.

Particolare attenzione sarà rivolta non solo agli aspetti teorici dello studio, ma anche alle problematiche relative all'implementazione pratica degli schemi di controllo sviluppati. Sono previste realizzazioni sperimentali delle architetture di controllo progettate, integrate in prototipi esistenti. In particolare, sarà disponibile un prototipo di braccio flessibile, attuato al giunto per mezzo di un motore in corrente continua e dotato lungo la struttura di trasduttori piezoelettrici in configurazione self-sensing. Tale prototipo verrà utilizzato per studiare aspetti teorici/realizzativi del controllo di strutture flessibili con particolare riferimento all'urto ed alla possibilità di combinare l'impiego delle due tipologie di attuatori (il motore al giunto ed i trasduttori piezoelettrici lungo la struttura) per garantire un'interazione "sicura" del braccio con l'ambiente esterno.

In questo ambito POLITO collaborerà al tema dedicato a Sistemi Robotici Multiarticolati (ROBO), coordinato da UNIROMA1, occupandosi principalmente del controllo di bracci flessibili. In particolare, verranno implementati differenti algoritmi per il controllo del prototipo di braccio flessibile a disposizione, con l'obiettivo di ottenere un buon inseguimento di traiettorie per la punta, con la contemporanea attenuazione delle vibrazioni della struttura, sia utilizzando i trasduttori piezoelettrici, sia applicando schemi di controllo "tradizionali", basati sull'impiego del solo motore al giunto.

POLITO collaborerà inoltre al tema dedicato alla Sensoristica (SENS), coordinato da UNIROMA2, non solo per quanto concerne l'impiego di trasduttori piezoelettrici, ma anche in merito all'impiego di sensori di visione sia per la pianificazione del moto sia per il controllo del robot, con l'obiettivo di ottenere un'interazione "sicura" del manipolatore con l'ambiente esterno, fondendo opportunamente le informazioni provenienti dai sensori tradizionali (di posizione, velocità e forza) con quelle fornite da sensori di visione.

All'interno del tema dedicato alla Sensoristica (SENS), si indagherà anche sull'uso di sensori di visione per la navigazione ed il controllo di robot mobili, in particolare per individuare eventuali ostacoli inattesi che si frappongono al moto del veicolo. Per tale problema si intende approfondire ulteriormente l'uso delle mappe ambientali per l'aggregazione delle diverse misure sensoriali [17]. Si studierà la possibile integrazione/fusione di informazioni di tipo visivo con informazioni ottenute da diversi sensori capaci di produrre solo misure di distanza da un possibile ostacolo (sonar e laser). Sarà inoltre approfondito l'utilizzo di tecniche di posizionamento ottimo vincolato [21] per il controllo di bracci guidato dalla visione ("vision-based control").

Per la costruzione delle mappe ambientali si analizzeranno e si confronteranno tra loro approcci di tipo probabilistico, robusto, deduttivo e fuzzy. Una parte significativa di questa attività sarà la verifica sperimentale delle diverse soluzioni. Inoltre, nel contesto di sistemi di più robot mobili inseriti nel medesimo ambiente, si intendono analizzare anche le necessarie metodologie e le appropriate architetture per la trasmissione e raccolta dati per l'aggregazione di tutte le misure in un'unica mappa ambientale.

POLITO collaborerà anche al tema dedicato a Sistemi di Locomozione (LOCOM), contribuendo allo sviluppo di nuove tecniche di localizzazione e navigazione per robot mobili operanti in ambienti parzialmente strutturati [18], [19], [20].

In questo ambito si intende sviluppare algoritmi di filtraggio non lineare e robusto capaci di utilizzare misure prodotte da diversi sistemi sensoriali di localizzazione. Si utilizzeranno sensori interni (inerziali ed odometrici) a lettura veloce e sensori esterni a lettura più lenta (sistema di visione). L'obiettivo finale sarà quello di integrare le misure odometriche, inerziali e visive. Tale risultato verrà raggiunto per passi successivi. Si svilupperanno prima algoritmi di filtraggio non lineare per l'integrazione di misure odometriche con misure inerziali e successivamente algoritmi per l'integrazione di misure odometriche con misure visive acquisite attraverso un sistema di visione di basso costo; infine si tratterà il caso generale. È prevista anche una significativa sperimentazione degli algoritmi di localizzazione sviluppati su le due basi mobili disponibili in laboratorio. In particolare si intende analizzare l'efficienza di tali algoritmi di localizzazione per la navigazione in autonomia e sicurezza di basi mobili per il trasporto di persone con disabilità motorie.

Infine, POLITO collaborerà al tema dedicato ad Architetture HW/SW (ARCH), coordinato da POLIMI, sviluppando lo studio e la realizzazione di architetture HW/SW aperte per la prototipazione e l'ingegnerizzazione di sistemi di supervisione e controllo digitali [22], che consentano una più agevole integrazione di sensori non convenzionali (quali ad esempio sensori di visione e piezoelettrici). L'obiettivo non sarà limitato allo sviluppo di algoritmi di controllo, ma anche alla creazione di moduli di supervisione, definizione della traiettoria, interfaccia verso l'utente, raccolta dati, ecc., in un'ottica di ingegnerizzazione dell'architettura finale.

FASI
Per tutta la durata del progetto verrà assicurato il coordinamento con le altre unità impegnate nello sviluppo del tema INTER; in particolare nella Fase 1 per una definizione dettagliata dei contributi di ciascuna unità e le possibilità di accesso ai rispettivi Laboratori, e in ogni altra Fase per la verifica e il confronto dei risultati ottenuti. Per quanto riguarda i singoli temi in cui è impegnato POLITO, si riportano nel seguito le fasi temporali e i loro costi approssimativi:

  • Fase 1
    • INTER: studio e analisi schemi di controllo dell'urto per strutture
      flessibili
    • ROBO: modellistica e controllo di bracci flessibili con piezoelementi distribuiti
    • ARCH: realizzazione in ambiente OpenDSP/Matlab di interfacce grafiche per la gestione ed il controllo di robot articolati
    • SENS: studio e analisi dei diversi metodi di fusione su di una mappa ambientale delle misure ambientali acquisite da un robot mobile
    • LOCOM: studio delle caratteristiche dei diversi sistemi di misura per la localizzazione di robot mobili

    Costi: 10 M£ (5.165 Euro)


  • Fase 2
    • SENS/INTER: studio della possibilità di attenuare le vibrazioni di strutture soggette ad urti mediante l'impiego di trasduttori piezoelettrici
    • ARCH: progetto dell'architettura di controllo di un braccio flessibile in ambiente OpenDSP
    • SENS: progetto di algoritmi per la fusione su di una mappa ambientali di informazioni acquisite da un sistema di visione e da sensori sonar
    • LOCOM: progetto di algoritmi per la localizzazione di robot mobili capaci di integrazione misure odometriche e inerziali con misure sull'ambiente acquisite attraverso un sistema di visione a basso costo

    Costi: 60 M£ (30.991 Euro)


  • Fase 3
    • SENS: studio della possibilità di utilizzo di sensori di visione per il controllo del moto e dell'urto e sviluppo degli algoritmi per la costruzione di mappe ambientali
    • LOCOM: sviluppo di differenti tecniche di localizzazione e navigazione per robot mobili
    • ARCH: studio della possibilità di integrazione di sistemi e schede di visione nell'architettura OpenDSP per la fusione di dati sensoriali provenienti da sensori di diversa natura

    Costi: 56 M£ (28.930 Euro)

  • Fase 4 - Dedicata alla sperimentazione delle tecniche ed architetture di controllo, delle tecniche di localizzazione e di fusione di dati sensoriali sviluppate nelle fasi precedenti, per validarle ed eventualmente modificarle. Alla conclusione del programma è prevista: la stesura di un capitolo del volume "MISTRAL" e l'installazione definitiva della struttura informatica.

    Costi: 20 M£ (10.340 Euro)


RISULTATI ATTESI
Algoritmi e architetture per il controllo dell'urto di manipolatori, anche a struttura flessibile - Algoritmi di fusione delle misure ambientali acquisite da robot - Algoritmi di localizzazione e navigazione per robot mobili - Implementazione degli algoritmi sviluppati su prototipi funzionanti - Realizzazione di architetture HW/SW - Sviluppo di una struttura informatica di rete, con disponibilità per gli utenti di visualizzare le dimostrazioni sperimentali dei risultati conseguiti - Pubblicazioni scientifiche presentate a conferenze internazionali e su riviste - Contributo alla pubblicazione della monografia del programma

Testo inglese

POLITO coordinates the research activity devoted to the Interaction Workpackage (INTER), which is developed in cooperation with UNIBO, UNINA and UNIPI, as described in "Modello A".

In particular, the activity of POLITO unit http://ladiserver1.polito.it/robotica/labrob/ will be devoted to the theoretical and experimental study of management and control algorithms and architectures, to guarantee the safe motion of a robotic link in partially structured environments.The main goal is achieving the safe motion of the robot both in the case of unexpected impacts, and in the case of "planned" impacts with an external environment, whose geometrical and structural properties are unknown or only partially known.

Some important results have been already obtained by the studies carried out in the previous Research Project RAMSETE, about impact model and control of rigid cooperating robots [10], and impact model and control in presence of elastic/plastic deformations [11], on the basis of an impact control scheme, which has been experimentally validated in [12] in the case of a rigid robotic link, striking different elastic, rigid or quasi-rigid external surfaces. On the basis of such results, the study of impact control will be extended to flexible, semi-flexible or composite structures, i.e. light structures, possibly having a rigid interior part and a soft covering, to be employed in biomedical applications or in hostile environments, such as for example the spatial one.

A particular attention will be devoted not only to the theoretical aspects of the analysis, but also to the problems related to the practical implementation of the developed control schemes. The designed control architectures will be experimentally integrated and applied to existing test-beds and prototypes, among which a flexible link, actuated by a d.c. motor at the joint, and provided along its structure by piezoelectric transducers in self-sensing configuration. Such a prototype will be used to study theoretical and practical aspects of flexible structures control, with a particular attention to impact control, and to the study of the possibility to combine the two kinds of actuators (the d.c. motor and the piezoelectric devices) for a "safe" interaction of the link with the external environment.

Within the framework of flexible robot control, POLITO will cooperate to the development of the Workpackage devoted to Multiarticulated Robotic Systems (ROBO), coordinated by UNIROMA1. In particular, different control algorithms will be applied to the available prototype of a flexible link, with the goal of achieving a good trajectory tracking of the end-effector, together with a significant reduction of the structural vibrations, both by using the piezoelectric transducers, and by applying "traditional" control schemes, that employ only the d.c. motor at the joint.

POLITO will cooperate at the development of the Sensor Workpackage (SENS), coordinated by UNIROMA2, not only by studying theoretical and practical aspects of the use of piezoelectric transducers, but also by analysing the possibility of using vision sensors, both for robot planning and for control, with the goal of guaranteeing a "safe" interaction of the robot with the external environment by properly fusing the information provided by "classical" sensors (such as position, velocity, and force sensors), with that coming from vision sensors.

In the Workpackage SENS, the activity will be also addressed to the use of sensor devices for the navigation and control of mobile robot, in particular for the obstacle detection along the robot trajectory. For this problem, the use of environment maps for integrating the sensor measures will be further investigated [17]. The possible fusion of monocular visual information with range sensors readings will be studied. Another topic to be developed will be the use of optimal positioning techniques [21] for the vision-based control of manipulator arms.

Different approaches based on the probabilistic and robust theory, the deductive theory and the fuzzy theory will be analysed for building the environment maps. An experimental validation of the developed procedures will be also considered. Moreover, for the scenario where multiple vehicles operate, the necessary methodologies and the appropriate architectures for the transmission and the collection of the sensors measures acquired by the mobile robots will be studied in order to share the information on the explored environment.

The POLITO Unit is also involved in the Workpackage LOCOM. In this Workpackage the activity will be addressed to the development of new procedures for the localisation and navigation of a mobile robot in an in-door environment [18], [19] and [20]. In this context, different non-linear and robust filtering procedures will be developed for the integration of the measures produced by different sensor devices used for the robot localisation. Internal sensors (inertial and odometric) with fast readings and external sensors (vision system) with slow readings will be used. The main task is to integrate visual measures with inertial and odometric measures. This task will be performed in different steps. At the first step a preliminary integration of odometric and inertial sonar readings will be developed. Then, an integration of odometric and visual measures will be studied; finally, the integration of all sensors readings will be considered. An experimental validation of the developed procedures will be also performed on the mobile bases available at the University of Ancona. Moreover, a particular attention will be reserved to the analysis of the proposed localisation algorithms for the navigation with the necessary autonomy and security of powered wheelchair for users with motor disabilities.

Finally, POLITO will cooperate to the research Workpackage devoted to HW/SW Architectures (ARCH), coordinated by POLIMI, by carrying on the study and implementation of open HW/SW architectures for the rapid prototyping and engineering of supervision and control digital systems [22], in order to integrate in a simple and fast way unconventional sensors, such as e.g. vision and piezoelectric sensors. The goal will not be limited to the development of control algorithms, but extended to the creation of modules devoted to supervision, trajectory planning, user interface, data collection, etc., for a complete engineering of the final architecture.

PHASES
During the project development, the coordination with the other research units working on the Workpackage INTER will be assured, in particular during Phase 1 for a more detailed definition of the contributes of each unit and of the possibility to the mutual access of the Laboratories, and in every other Phase for validation and comparison of the obtained results. For the other topics in which POLITO unit is concerned, the temporal phaases and their approximate costs are reported in the following:

  • Phase 1
    • INTER: analysis and design of impact control schemes for flexible structures
    • ROBO: modeling and control of flexible links with piezoelectric transducers
    • ARCH: design and implementation of graphical interfaces within the OpenDSP/Matlab environment for the management and control of articulated robots
    • SENS: analysis and design of fusion methods on an environment map of environment measures acquired by a mobile robot
    • LOCOM: analysis of the measure characteristics of the systems used for the localisation of mobile robots

Costs: 10 M£ (5,165 Euro)

  • Phase 2
    • SENS/INTER: study of the possibility of attenuating structural vibrations due to impacts by means of piezoelectric transducers
    • ARCH: design of the control architecture for a flexible link in OpenDSP environment
    • SENS: design of algorithms for the fusion of visual information and sonar range data on an environment map
    • LOCOM: design of algorithms for the localisation of mobile robots with integration of odometric and inertial measures and environment measures acquired by a low cost vision system

Costs: 60 M£ (30,991 Euro)

  • Phase 3
    • SENS: study of the possibility of using vision sensors for robot motion and impact control and development of algorithms for the definition of environmental maps
    • LOCOM: integration of localisation algorithms with navigation procedures for mobile robots
    • ARCH: study of the possibility of integrating vision systems and devices within the OpenDSP architecture for the data fusion from different kinds of sensors

Costs: 56 M£ (28,930 Euro)

  • Phase 4 - This last phase is devoted to the experimental implementation of the control algorithms and architectures, and of the localization and sensor data fusion techniques, developed in the previous phases, to validate their effectiveness, and to introduce some modifications in them, if necessary. Besides, some time will be spent for the preparation of the POLITO contribution to the MISTRAL monograph, and for the final definition of the web information net between the robotics archives and laboratories of the research units involved in the project.

    Costs: 20 M£ (10,340 Euro)

EXPECTED RESULTS
Algorithms and architectures for the impact control of rigid and flexible robots - Algorithms for the fusion of environment measures acquired by robots - Localisation algorithms and navigation procedures for mobile robots - Implementation of the developed algorithms on working prototypes - Development of a web information net, for the visualization of the experimental tests and of the obtained results - Scientific publications presented at international conferences and journals - Contribution to the Program monograph


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

Anno di acquisizione Descrizione
Testo italiano Testo inglese
1.  1994 Robot planare a due bracci Integrated Motion Inc. con motori brushless NSK dotato di controllore basato su PC con scheda DSP TMS320C30 collegato a sistema basato su OpenDSP per prototipazione rapida di sistemi di controllo digitali, con field modules dedicati  Two arms planar manipulator by Integrated Motion Inc. with NSK brushless motors, with a PC controller based on a TMS320C30 DSP card linked to an OpenDSP system for rapid prototyping of digital control systems, with dedicated field modules 
2.  1994 Robot mobile Labmate TRC a guida differenziale (Univ. di Ancona)  Labmate TRC mobile robot with differential drive 
3.  1998 Sistema di visione con video camera "intelligente" MAPP2200 della IVP (Univ. di Ancona)  Vision system with intelligent video camera IVP MAPP2200 
4.  1999 Robot COMAU SMART-3S a 6 gdl, con controllore C3G9000 aperto e Sensore di forza/coppia ATI 30-100 con interfaccia RS232  COMAU SMART-3S articulated 6 dof robot with C3G9000 open Control Unit with ATI 30-100 force/torque sensor with RS232 interface 
5.  2000 Braccio flessibile su cuscini d'aria, attuato da motore brushless NSK, per la sperimentazione di controllori basati su piezoelementi distribuiti sulla struttura  Flexible arm mounted on air cushions, actuated by a NSK brushless motor, for the prototyping of control architectures based on distributed piezoelectric elements 


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 45  23.241  PC, schede DSP dedicate, strumentazione di laboratorio, attuatori, telecamere e sistemi di visione, banchi ottici, robot mobili  PC, DSP based cards, laboratory instrumentation, actuators, TV cameras and vision systems, optical mounting, mobile, robots 
Grandi Attrezzature        
Materiale di consumo e funzionamento 20  10.329  Materiale per trasduttori, componenti elettronici, elettrici e meccanici, minuteria di laboratorio, software  Material for transducers, electrical, electronics and mechanical components, consumables and others 
Spese per calcolo ed elaborazione dati        
Personale a contratto 40  20.658  Due borse/contratti per sei mesi  Two six-months contracts 
Servizi esterni        
Missioni 26  13.428  Viaggi e iscrizioni a congressi  Travels and congress registrations 
Altro 15  7.747  Gestione del progetto e altre spese  Project management and other expenses 


  Euro
Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca 146  75.403 
 
Costo minimo per garantire la possibilità di verifica dei risultati 100  51.646 
 
Fondi disponibili (RD) 40  20.658 
 
Fondi acquisibili (RA) 4  2.066 
 
Cofinanziamento richiesto al MURST 102  52.679 
 


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 2000   10  5.165     
MURST (ex 40%)          
CNR          
Unione Europea          
Altro 1999   30  15.494     
TOTAL   40  20.658     

4.1.1 Altro

Contratti ASI ARS-98-163 e ARS-99-38; su un totale di 60 ML ancora disponibili se ne prevedono 30 ML in cofinanziamento

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   in fase di negoziazione  2.066   
CNR          
Unione Europea          
Altro          
TOTAL     2.066   

4.2.1 Altro


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 08:06:13     





Last updated: February 5, 2002
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