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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 MANIP: Manipulation - Coordinated by UNINA (Università di Napoli "Federico II")


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_001


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

SICILIANO BRUNO  
(cognome) (nome)  


Professore associato 27/10/1959 SCLBRN59R27F839H
(qualifica) (data di nascita) (codice di identificazione personale)

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


081/7683179 081/7683186 siciliano@unina.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
ROBOTICA ; CONTROLLO DI ROBOT ; MANIPOLAZIONE ; RIDONDANZA CINEMATICA ; TOLLERANZA AI GUASTI ; ROBOT COOPERANTI ; INTERAZIONE CON L'AMBIENTE ; INTERAZIONE UOMO-MACCHINA ; VISIONE

Testo inglese
ROBOTICS ; ROBOT CONTROL ; MANIPULATION ; KINEMATIC REDUNDANCY ; FAULT TOLERANCE ; COOPERATIVE ROBOTS ; INTERACTION WITH ENVIRONMENT ; MAN-MACHINE INTERACTION ; VISION


1.8 Curriculum scientifico del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca

Testo italiano

Bruno Siciliano è nato a Napoli il 27 Ottobre 1959. Ha conseguito la Laurea in Ingegneria Elettronica all'Università di Napoli nel 1982 e il titolo di Dottore in Ricerca nel 1987. Dal 1987 lavora presso la Facoltà di Ingegneria dell'Università di Napoli dove attualmente è Professore Associato di Robotica Industriale nel Dipartimento di Informatica e Sistemistica. Di recente ha conseguito l'idoneità a Professore Ordinario di Automatica. I suoi interessi di ricerca riguardano le tecniche di inversione cinematica, il controllo di manipolatori ridondanti, la modellistica e il controllo di bracci flessibili, il controllo di forza e posizione e i robot cooperanti. Ha pubblicato più di 150 articoli su rivista e a congresso e 3 libri sul controllo dei robot. E` stato Associate Editor di IEEE Transactions on Robotics and Automation dal 1991 al 1994 e di ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control dal 1994 al 1998. Fa parte dei comitati editoriali di Robotica e JSME International Journal. E` Fellow di IEEE e Associate Member di ASME. Ha ricoperto cariche rappresentative nell'ambito di IEEE Robotics and Automation Society: Administrative Committee Member dal 1996 al 1999, Vice-President for Publications nel 1999 e Vice-President for Technical Activities dal 2000. Dal 1996 al 1999 ha presieduto Technical Committee on Manufacturing and Automation Robotic Control di IEEE Control Systems Society. Ha presieduto comitati scientifici di numerosi convegni IEEE e ASME.

Testo inglese

Bruno Siciliano was born in Naples, Italy, on October 27, 1959. He received the Laurea degree and the Research Doctorate degree in electronic engineering from the University of Naples in 1982 and 1987, respectively. Since 1983 he is with the University of Naples, where he is currently an Associate Professor of Robotics in the Department of Computer and Systems Engineering. He has recently been promoted to Professor. His research interests include inverse kinematics, redundant manipulator control, modelling and control of flexible arms, force/motion control and cooperative robots. He has published more than 150 journal and conference papers and 3 books on robot control. He has served as an Associate Editor of the IEEE Transactions on Robotics and Automation from 1991 to 1994, and of the ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control from 1994 to 1998. He is on the Editorial Boards of Robotica and the JSME International Journal. He is a Fellow of IEEE and a Member of ASME. He has held representative positions within the IEEE Robotics and Automation Society: Administrative Committee Member from 1996 to 1999, Vice-President for Publications in 1999, and Vice-President for Technical Activities since 2000. From 1996 to 1999 he has been Chair of the Technical Committee on Manufacturing and Automation Robotic Control of the IEEE Control Systems Society. He has served as chair or co-chair for numerous programs in IEEE and ASME international conferences.

1.9 Pubblicazioni scientifiche più significative del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca
  1. SCIAVICCO L., SICILIANO B., "Modelling and Control of Robot Manipulators, 2nd Edition" , ISBN/ISSN: 1-85233-221-2 , (2000) Springer-Verlag, London, UK .
  2. SICILIANO B., VILLANI L., "Robot Force Control" , ISBN/ISSN: 0-7923-7733-8 , (1999) Kluwer Academic Publishers, Boston, MA .
  3. CACCAVALE F., NATALE C., SICILIANO B., VILLANI L., "Six-DOF impedance control based on angle/axis representations" , Rivista: IEEE Transactions on Robotics and Automation , Volume: 15 , pp.: 289-300 , ISBN/ISSN: 1042-296X , (1999) .
  4. CHIAVERINI S., SICILIANO B., VILLANI L., "A survey of robot interaction control schemes with experimental comparison" , Rivista: IEEE/ASME Transactions on Mechatronics , Volume: 4 , pp.: 273-285 , ISBN/ISSN: 1083-4435 , (1999) .
  5. SICILIANO B., "Closed-loop inverse kinematics algorithms for constrained flexible manipulators under gravity" , Rivista: Journal of Robotic Systems , Volume: 16 , pp.: 353-362 , ISBN/ISSN: 0741-2223 , (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  SICILIANO  BRUNO  INFORMATICA E SISTEMISTICA  Prof. associato  K04X  10  10
2  CACCAVALE  FABRIZIO  INFORMATICA E SISTEMISTICA  Ricercatore  K04X  10  10
3  VILLANI  LUIGI  INFORMATICA E SISTEMISTICA  Ricercatore  K04X  10  10
 

1.10.2 Personale universitario di altre Università

Cognome Nome Università Dipart./Istituto Qualifica Settore
scient.
Mesi
uomo
2000 2001
 
1  SCIAVICCO  LORENZO  ROMA TRE  INFORMATICA E AUTOMAZIONE  Prof. ordinario  K04X  5  5
 

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

1.10.5 Personale a contratto da destinare a questo specifico programma

Qualifica Costo previsto Mesi uomo
1. Ingegnere  20  10 
2. Ingegnere  20  10 
3. Diplomato Universitario  24  16 

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

MARIS: Manipolazione Antropica per Robot con Integrazione Sensoriale

Testo inglese

MARIS: Anthropic Manipulation for Robots with Sensor Integration

2.2 Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Testo italiano

La realizzazione di sistemi robotici antropici richiede lo studio e la definizione di strategie di coordinamento e gestione dell'interazione tra differenti unità di manipolazione. L'interazione può essere intesa sia tra manipolatori robotici (manipolazione cooperante), sia tra uomo e sistema robotico (manipolazione antropica).
L'adozione di più manipolatori robotici cooperanti nell'esecuzione di compiti di manipolazione consente di accrescere la capacità di carico complessiva del sistema, sia in termini di peso che di dimensioni dell'oggetto manipolato, e di migliorarne la destrezza, ovvero l'abilità nell'eseguire compiti complessi. Se il compito richiede la sola sincronizzazione dei singoli manipolatori così da coordinarne il moto ed evitare collisioni, si parla di cooperazione "lasca". In tal caso si rende utile il ricorso a strategie di controllo cinematico basate su una opportuna scelta delle variabili per la descrizione del compito; inoltre è opportuno prevedere la gestione di eventuali gradi di mobilità ridondanti sì da configurare il sistema in posture destre. Se invece il compito prevede una interazione fisica tra i singoli manipolatori attraverso l'oggetto manipolato, si parla di cooperazione "stretta". In tal caso, oltre al coordinamento del moto, è indispensabile assicurare la limitatezza delle forze di interazione e, allo stesso tempo, il mantenimento della presa; a tale scopo possono rendersi utili strategie di controllo della posizione dell'oggetto manipolato, della posizione relativa dei singoli manipolatori e delle forze di interazione (contollo forza/posizione, controllo di impedenza). La necessità di controllare le forze scambiate con l'oggetto richiede l'integrazione negli schemi di controllo di misure provenienti da sensori di forza, tipicamente collocati agli organi terminali dei singoli manipolatori.
Il sistema di manipolazione, eventualmente costituito da più robot cooperanti, può a sua volta interagire con un ambiente esterno o con l'uomo. In tali situazioni è cruciale garantire sia la limitatezza delle forze in gioco che la sicurezza dell'operatore umano in presenza di malfunzionamenti. Il primo obiettivo può essere perseguito conferendo un comportamento cedevole all'intero sistema di manipolazione mediante l'adozione di strategie di controllo di forza/posizione o di impedenza. Tale soluzione è indubbiamente utile anche ai fini della gestione sicura dell'interazione uomo-robot, ma non è sufficiente in presenza di comportamenti anomali dei manipolatori. A tale proposito è necessario ricorrere a tecniche di identificazione di guasti e, ove possibile, di ripristino del corretto funzionamento del sistema in modo da minimizzare il rischio per l'operatore umano; l'eventuale presenza di gradi di mobilità ridondanti può essere opportunamente utilizzata per raggiungere configurazioni ottime rispetto a misure di tolleranza ai guasti.
E` evidente che le strategie di gestione sicura dell'interazione con l'ambiente esterno e/o con l'uomo, così come le capacità di autonomia del sistema robotico, possono essere notevolmente potenziate dall'utilizzo di informazioni sulle caratteristiche geometriche dell'ambiente ottenute attraverso una o più telecamere. L'informazione di tipo visivo, opportunamente elaborata, può essere utilizzata sia a livello di pianificazione del moto, per il riconoscimento e la localizzazione di oggetti o l'aggiramento di ostacoli, sia a livello di controllo, per migliorare l'accuratezza di posizionamento del sistema robotico e la capacità di seguire oggetti in movimento. E` inoltre evidente che l'impiego combinato di sensori di varia natura permette di arricchire la percezione eterocettiva del sistema robotico. In particolare, l'integrazione di sensori di moto, di forza/coppia e visivi consente di migliorare la capacità di interazione con l'ambiente. Il problema cruciale in tal caso consiste nella individuazione di algoritmi per la fusione di dati sensoriali disomogenei e la loro integrazione nelle strategie di pianificazione e controllo.

Testo inglese

The realization of anthropic robotic systems requires the study and the definition of suitable strategies for coordination and interaction management between several manipulation units, where the interaction may involve both robotic manipulators (cooperative manipulation) and men-robots (anthropic manipulation).
The adoption of robotic manipulators cooperating in the execution of manipulation tasks allows increasing the load capability of the system, both in terms of weight and dimension of the manipulated object, and improving robot dexterity, i.e., the ability of executing complex manipulation tasks. If the task requires the sole synchronization of the manipulators so as to achieve motion coordination and collision avoidance, the cooperation is termed "loose". In this case it is useful to adopt kinematic control strategies based on a suitable choice of the task variables; moreover, it is advisable to manage the redundant degrees of mobility so as to achieve dexterous configurations. On the other hand, if the task involves the interaction between the manipulators through a common manipulated object, the cooperation is termed "tight". In this case, in addition to motion coordination, it is necessary to ensure limited interaction forces while preserving a firm grasp of the object; to the purpose, it may be useful resorting to strategies for controlling the object position, the relative position of the manipulators and the interaction forces (force/position control, impedance control). Controlling the forces exchanged with the object requires integration of force measurements in the control schemes; these are typically available through force/torques sensors mounted at the wrist of each manipulator.
The manipulation system, which may be a cooperative system, may interact with an external environment or a human being. In such situations both limited interaction forces and safe man-robot interaction must be guaranteed. The first goal can be pursued by conferring a compliant behaviour to the whole manipulation system; this can be achieved by adopting force/position or impedance control strategies.
This solution may help achieve a safe man-robot interaction, but it is not enough in the presence of robot failures. To this purpose, it is worth resorting to fault identification techniques and strategies for fault recovery so as to minimize human operator risk; the availability of redundant degrees of mobility can be suitably exploited to achieve optimal configurations with respect to some fault tolerance measure.
Clearly, the strategies for the management of safe interaction with the external environment and/or man as well as the robotic system autonomy may be enhanced by using information on the geometrical features of the surrounding environment, obtained via one or more video cameras. Then, the visual data can be used at the motion planning level, for object recognition, localization and/or obstacle avoidance, as well as at the control level to improve servoing accuracy. Moreover, the combined use of sensors of different type allows enriching the heteroceptive sensing capabilities of the robotic system. In particular, the integration of motion, force/torque and visual sensors leads to improve quality and safety of the interaction with the environment. To this regard, the main problem consists in devising suitable algorithms for fusion of nonhomogeneous sensory data and their integration at planning and control levels.

2.2.a Riferimenti bibliografici

R.G. Bonitz, T.C. Hsia, "Internal force-based impedance control for cooperating manipulators," IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 12, pp. 78-89, 1996.
F. Caccavale, "Experiments of observer-based fault detection for an industrial robot," Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Control Applications, pp. 480-484, Trieste, I, 1998.
F. Caccavale, P. Chiacchio, S. Chiaverini, "Stability analysis of a joint space control law for a two-manipulator system," IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 44, pp. 85-88, 1999.
F. Caccavale, C. Natale, B. Siciliano, L. Villani, "Six-DOF impedance control based on angle/axis representations," IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 15, pp. 289-300, 1999.
F. Caccavale, I.D. Walker, "Observer-based fault detection for robot manipulators," Proceedings of the 1997 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 2881-2887, Albuquerque, NM, 1997.
P. Chiacchio, S. Chiaverini (Eds.), Complex Robotic Systems, Springer-Verlag, London, 1998.
P. Chiacchio, S. Chiaverini, B. Siciliano, "Direct and inverse kinematics for coordinated motion tasks of a two-manipulator system," ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 118, pp. 691-697, 1996.
P.I. Corke, Visual Control of Robots, Research Studies Press, Taunton, England, 1997.
J.D. English, A.A. Maciejewski, "Fault tolerance for kinematically redundant manipulators: Anticipating free-swinging joint failures," IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 14, pp. 566-575, 1998.
P.M. Frank, "Analytical and qualitative model-based fault diagnosis - A survey and some new results," European Journal of Control, vol. 2, pp. 6-28, 1996.
B.K. Ghosh, N. Xi, T.J. Tarn (Eds.), Control in Robotics and Automation: Sensor-Based Integration, Academic Press, New York, 1999.
G.D. Hager, "A modular system for robust hand-eye coordination," IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 13, pp. 582-595, 1997.
N. Hogan, "Impedance control: An approach to manipulation: Parts I-III," ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 107, pp. 1-24, 1985.
P. Hsu, "Coordinated control of multiple manipulator systems," IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 9, pp. 400-410, 1993.
S. Hutchinson, G. Hager, and P. Corke, "A tutorial on visual servo control," IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 12, pp. 651-670, 1996.
R. Isermann, B. Freyermuth, "Process fault diagnosis based on process model knowledge - Parts I-II," ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 113, pp. 620-633, 1991.
O. Khatib, "Inertial properties in robotic manipulation: An object level framework," Int. Journal of Robotics Research, vol. 13, pp. 19-36, 1995.
Y.-H. Liu, S. Arimoto, "Decentralized adaptive and nonadaptive position/force controllers for redundant manipulators in cooperation," International Journal of Robotics Research, vol. 17, pp. 232-247, 1998.
B.J. Nelson, P.K. Khosla, "Force and vision resolvability for assimilating disparate sensory feedback", IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 12, pp. 714-731, 1996.
M.H. Raibert, J.J. Craig, "Hybrid position/force control of manipulators," ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 103, pp. 126-133, 1981.
R.G. Roberts, A.A. Maciejewski, "A local measure of fault tolerance for kinematically redundant manipulators," IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 12, pp. 543-552, 1998.
S.A. Schneider, R.H. Cannon Jr., "Object impedance control for cooperative manipulation: Theory and experimental results," IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 8, pp. 383-394, 1992.
B. Siciliano, L. Villani, Robot Force Control, Kluwer, Boston, MA, 1999.
R.Y. Tsai, R.K. Lenz, "Techniques for calibration of the scale factor and image center for high accuracy 3D machine vision metrology," IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 210, pp. 2713-720, 1988.
M. Uchiyama, P. Dauchez, "Symmetric kinematic formulation and non-master/slave coordinated control of two-arm robots," Advanced Robotics, vol. 7, pp. 361-383, 1993.
A.T. Vemuri, M.M. Polycarpou, "Robust nonlinear fault diagnosis in input-output systems," International Journal of Control, vol. 68, pp. 343-360, 1996.
M.L. Visinsky, J.R. Cavallaro, I.D. Walker, "A dynamic fault tolerance framework for remote robots," IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 11, pp. 477-490, 1995.
I.D. Walker, R.A. Freeman, S.I. Marcus, "Analysis of motion and internal loading of objects grasped by multiple cooperating manipulators," International Journal of Robotics Research, vol. 10, pp. 396-409, 1989.
J.T. Wen, K. Kreutz, "Motion and force control of multiple robotic manipulators," Automatica, vol. 28, pp. 729-743, 1992.

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

Testo italiano

Nel seguito viene descritto in dettaglio il programma di ricerca MARIS svolto dall'Unità di Napoli (UNINA) nell'ambito di MISTRAL. A UNINA è anche affidato il coordinamento scientifico nazionale di MISTRAL.


UNINA svolge funzioni di cooordinamento dell'attività di ricerca nell'ambito del tema MANIP al cui sviluppo collaborano le unità UNIBO, POLIMI, UNIPI, UNIROMA1, come illustrato nel Modello A. All'interno di tale tema, UNINA si occuperà principalmente di cooperazione in sistemi costituiti da più strutture di manipolazione.
Obiettivo della ricerca nell'ambito del tema MANIP è lo sviluppo di nuove strategie di controllo per sistemi di manipolazione cooperanti e per l'interazione tra sistema di manipolazione e l'ambiente esterno. Particolare enfasi sarà posta su compiti di manipolazione a sei gradi di libertà (forza+momento/posizione+orientamento) di oggetti rigidi o flessibili secondo tipologie diverse di presa dell'oggetto. Sono previste attività sperimentali presso il Laboratorio PRISMA (http://disna.dis.unina.it/prisma) di UNINA attrezzato con due robot industriali Comau SMART-3S con sensori di forza/coppia ATI FT-30/100. Elemento chiave dell'apparecchiatura sperimentale è la disponibilità di una architettura di controllo aperta che consente l'interfacciamento dei bus VME delle unità di governo dei due robot con il bus ISA di un singolo PC. Si prevede l'acquisto di un sistema stereoscopico di telecamere digitali con relativo hardware e software di interfacciamento nonché una coppia di sensori elettromagnetici per il rilevamento di posizione e orientamento.
La proposta di ricerca si colloca a naturale prosecuzione di quella realizzata nell'ambito del Programma biennale di Ricerca RAMSETE (cofinanziato dal MURST nel 1998), riguardante il controllo dell'interazione e manipolazione cooperante per sistemi robotici operanti in ambienti a scarsa strutturazione. In tale ambito sono state definite strategie per la pianificazione ed il controllo forza/posizione e di impedenza per la gestione dell'interazione. In particolare, sono state adottate rappresentazioni dell'orientamento geometricamente consistenti successivamente integrate in strategie di controllo per compiti a sei gradi di libertà. Sulla base di tali risultati, si intende estendere le strategie di controllo di impedenza geometricamente consistenti al controllo di sistemi multi-robot cooperanti sia per la gestione dell'interazione fra i robot che quella dell'oggetto manipolato con l'ambiente esterno. Lo scopo è quello di ridurre allo stesso tempo le forze interne (sforzi meccanici applicati all'oggetto) e le forze scambiate con l'ambiente esterno. Si intendono inoltre sviluppare metodologie per la pianificazione ed il controllo di sistemi cooperanti caratterizzati da presa non rigida e/o oggetto flessibile. Particolare attenzione sarà rivolta alla sperimentazione delle strategie di controllo elaborate sull'installazione costituita dai due robot industriali disponibili nel Laboratorio PRISMA.
Le problematiche relative alla gestione dell'interazione con l'ambiente e, in particolare, con l'uomo, sono in accordo con gli obiettivi del tema INTER coordinato da POLITO. All'interno di tale tema, UNINA si propone di sviluppare strategie di controllo cedevoli per la gestione dell'interazione antropica. Le caratteristiche intrinseche di cedevolezza e leggerezza dei manipolatori a bracci flessibili assicurano un buon grado di sicurezza passiva nell'interazione con l'uomo; per tale motivo, particolare attenzione verrà dedicata allo studio dell'interazione di manipolatori flessibili con ambienti cedevoli. La cedevolezza passiva e/o attiva conferita al sistema di manipolazione non è di per sé sufficiente per garantire l'interazione sicura uomo-robot quando si è in presenza di comportamenti anomali dei manipolatori. Si ritiene dunque fondamentale sviluppare tecniche di identificazione di guasti e/o anomalie, e di ripristino del corretto funzionamento del sistema in modo da minimizzare il rischio per l'operatore umano. A tale scopo si intendono adottare tecniche basate su osservatori dello stato per la rilevazione e l'isolamento di guasti, integrate in strategie di controllo con tolleranza ai guasti basate sull'utilizzo dei gradi di mobilità ridondanti.
UNINA sarà inoltre impegnata sul tema ROBO coordinato da UNIROMA1. La collaborazione con le altre Unità impegnate sul tema verterà principalmente sul controllo di manipolatori ridondanti, di sistemi veicolo-manipolatore e di strutture flessibili. La presenza di gradi di libertà ridondanti permette di affrontare compiti complessi di manipolazione e di ottimizzare le prestazioni per l'esecuzione di operazioni specifiche. Gli obiettivi primari della ricerca in tale ambito sono lo sviluppo di tecniche di pianificazione e controllo del moto che consentano di aumentare le capacità di adattamento e mobilità in presenza di utenti umani nello spazio di lavoro; inoltre, in accordo con gli obiettivi di INTER, si prevede di studiare tecniche di utilizzazione dei gradi di mobilità ridondanti per riconfigurare la struttura meccanica in maniera tale da minimizzare l'effetto di guasti e consentire la corretta esecuzione del compito, ove possibile. Tali problematiche ben si integrano con lo studio di sistemi veicolo-manipolatore relativamente al coordinamento del moto del sistema di manipolazione con quello della base mobile. Nell'ambito del tema ROBO è prevista anche attività di ricerca sul controllo forza/posizione di strutture flessibili in contatto con l'ambiente, a integrazione delle problematiche di gestione dell'interazione inquadrate nell'ambito del tema INTER.
Nell'ambito del tema SENS, coordinato da UNIROMA2, UNINA si propone di utilizzare sensori di visione per la pianificazione ed il controllo. Il sensore di visione consente di risolvere problemi rilevanti quali il riconoscimento e la localizzazione di oggetti nell'ambiente o di ostacoli. Si intende investigare l'uso di informazioni di tipo visivo in strategie di pianificazione e controllo di compiti coordinati per sistemi cooperanti multi-robot e uomo-robot, a integrazione delle attività di ricerca previste nell'ambito del tema MANIP. Ulteriore obiettivo è la fusione di dati sensoriali propriocettivi ed esterocettivi. In particolare si vuole studiare la possibilità di migliorare la percezione sensoriale complessiva degli agenti robotici, mediante elaborazione di misure di posizione, forza e visione, allo scopo di conferire maggiore autonomia agli agenti e di garantire allo stesso tempo maggiore sicurezza in presenza dell'uomo.
Schematicamente, la ricerca sarà sviluppata secondo le seguenti fasi, ciascuna della durata di sei mesi:


Fase 1 (Costo: 30 Ml Lira / 15.494 Euro)
MANIP - Sviluppo di metodologie di manipolazione cooperante basate sul controllo di impedenza nel caso di oggetto rigido con presa rigida; validazione in simulazione (MATLAB/SIMULINK).
INTER,ROBO - Sviluppo di metodologie di controllo dell'interazione di manipolatori a bracci flessibili con ambienti cedevoli; validazione in simulazione (MATLAB/SIMULINK).
ROBO - Sviluppo di tecniche di controllo coordinato di sistemi veicolo-manipolatore.
SENS - Studio e analisi di strategie di pianificazione e controllo con utilizzo di informazioni visive; studio e analisi di tecniche di integrazione sensoriale.


Fase 2 (Costo: 70 Ml Lira / 36.152 Euro)
MANIP - Sviluppo di metodologie di manipolazione cooperante basate sul controllo di impedenza nel caso di presa non rigida e/o oggetto flessibile; validazione in simulazione (MATLAB/SIMULINK).
INTER - Sviluppo di tecniche per la rilevazione di guasti in sistemi robotici basate su osservatori; sviluppo di metodologie di controllo dell'interazione di manipolatori cooperanti con ambienti cedevoli; validazione in simulazione (MATLAB/SIMULINK).
ROBO,INTER - Studio e analisi di strategie di gestione dei gradi di mobilità ridondanti per la riconfigurazione ottima rispetto a misure di tolleranza ai guasti e per la gestione sicura dell'interazione.
SENS - Sviluppo di algoritmi di pianificazione e controllo con utilizzo di informazioni visive; validazione in simulazione (MATLAB/SIMULINK).


Fase 3 (Costo: 50 Ml Lira / 25.833 Euro)
MANIP,INTER - Sviluppo di software di comando in tempo reale (linguaggio C) per gli algoritmi di controllo sviluppati nelle fasi precedenti e verifica sperimentale preliminare sul sistema cooperante del Laboratorio PRISMA.
ROBO,INTER - Sviluppo di tecniche di gestione dei gradi di mobilità ridondanti per la riconfigurazione ottima rispetto a misure di tolleranza ai guasti; validazione in simulazione (MATLAB/SIMULINK).
SENS - Sviluppo di algoritmi di pianificazione e controllo con fusione di dati sensoriali di moto, forza e visione; integrazione del sistema di visione artificiale nell'installazione sperimentale disponibile nel Laboratorio PRISMA e sviluppo del relativo software di comando in tempo reale (linguaggio C).


Fase 4 (Costo: 50 Ml Lira / 25.833 Euro)
Verifica sperimentale delle tecniche di pianificazione e controllo, sviluppate nell'ambito dei diversi temi, nello svolgimento di compiti significativi in presenza di interazione con ambienti esterni alla struttura di manipolazione e con l'uomo.

Testo inglese

In the following, the goals of the research program MARIS carried out by the Unit in Naples (UNINA) within the research program MISTRAL are described in detail. UNINA is also in charge of the national scientific coordination of MISTRAL.


UNINA coordinates the research activities in the framework of the workpackage MANIP to which the Units UNIBO, POLIMI, UNIPI, UNIROMA1 contribute, so as illustrated in Form A. The research goal within MANIP is the development of new control strategies for cooperative manipulation systems as well as for the interaction between the manipulation system and the external environment. Special emphasis will be given to six-degree-of-freedom manipulation tasks (force+moment/position+orientation) of rigid and flexible objects according to different types of object grasp. Experimental activities are planned at PRISMA Lab of UNINA (http://disna.dis.unina.it/prisma) that is equipped with two industrial robots Comau SMART-3S with force/torque sensors ATI FT-30/100. The key feature of the experimental apparatus is the availability of an open control architecture that allows interfacing the VME buses of the two robot control units to the ISA bus of a single PC. It is foreseen to acquire a digital camera stereo system with relative hardware and software interfaces, as well as a pair of electromagnetic sensors for position and orientation detection.
The research proposal can be framed as the natural prosecution of the biennial research program RAMSETE (co-financed by MURST in 1998), that concerns with interaction control and cooperative manipulation for robotic systems operating in scarcely structured environments. In that framework planning and force/position control strategies for managing the interaction have been established. In particular, geometrically consistent representations of orientation have been adopted and successfully integrated into control stratgegies for six-degree-of-freedom tasks. On the basis of those results, it is wished to extend geometrically consistent impedance control strategies to control of cooperative multirobot systems for the management of both the interaction between robots and the interaction of the manipulated object with the external environment. The aim is to reduce the internal forces (mechanical efforts on the object) as well as the forces exchanged with the external environment. Moreover, it is wished to develop methodologies for planning and control of cooperating systems characterized by nonrigid grasp and/or flexible object. Special care will be paid to the experimentation of control strategies on the set-up constituted by the two industrial robots available in the PRISMA Lab.
Problems related to management of interaction with the environment and, specifically, with human beings is in agreement with the goals of INTER coordinated by POLITO. Within that theme, UNINA aims at developing compliant control strategies to handle anthropic interaction. The inherent compliance and lightweight nature of flexible link manipulators ensure a good degree of passive safety for interaction with a human user. For such a reason, special care will be paid to studying interaction of flexible manipulators with compliant environments. The passive and/or active compliance conferred to the manipulation system is not enough itself to guarantee a safe man-robot interaction when an unusual robot behaviour occurs. Hence it is believed to be crucial the development of fault and malfunction identification techniques, as well as recovery strategies of proper system behaviour aimed at minimizing risks for the human operator. To this purpose it is wished to develop state observer-based techniques for fault detection and isolation, to be integrated into fault tolerant control strategies based on the utilization of the redundant degrees of mobility.
Furthermore, UNINA will be engaged into ROBO coordinated by UNIROMA1. Collaboration with the other Units working on that theme will mainly regard control of redundant manipulators, vehicle/manipulator systems and flexible structures. The presence of redundant degrees of freedom allows handling complex manipulation tasks while optimizing performance for the execution of specific operations. The main research objectives within this framework are the development of planning and control techniques allowing an increase of adaptability and mobility whenever human users populate the environment; moreover, according to the objectives of INTER, it is planned to investigate techniques for exploiting redundant degrees of mobility aimed at a reconfiguration of the mechanical structure so as to minimize fault effects and allow task correct execution, if possible. Such problems are well integrated with the study of vehicle/manipulator systems as far as motion coordination of the manipulation system with the mobile base is concerned. Within ROBO it is also planned a research activity on force/position control of flexible structures in contact with the environment, so as to integrate the work on the management of interaction framed within INTER.
In the framework of SENS coordinated by UNIROMA2, UNINA aimes at utilizing vision sensors for planning and control. The vision sensor allows solving relevant problems such as object or obstacle recognition and localization within the environment. It is wished to investigate the use of visual data for planning and control of coordinated tasks for cooperating multirobot or man-robot systems, so as to integrate the activities within MANIP. A further goal is fusion of proprioceptive and exteroceptive sensory data. In detail, it is wished to study the possibility to improve complex sensor perception of robotic agents, by processing of position, force and visual measurements, so as to ensure greater autonomy to the agents while guaranteeing enhanced safety in the presence of human beings. Schematically, the research activities will be carried out according to the following phases, each of which will last six months:


Phase 1 (Cost: 30 Ml Lira / 15,494 Euro)
MANIP - Development of methodologies for cooperative manipulation based on impedance control in the case of rigid object with rigid grasp; simulation tests (MATLAB/SIMULINK).
INTER, ROBO - Development of methodologies for control of flexible link manipulators interacting with compliant environments; simulation tests (MATLAB/SIMULINK).
ROBO - Development of techniques for coordinated control of vehicle/manipulator
systems.
SENS - Study and analysis of planning and control strategies using visual information; study and analysis of sensor fusion techniques.


Phase 2 (Cost: 70 Ml Lira / 36,152 Euro)
MANIP - Development of methodologies for cooperative manipulation based on impedance control in the case of nonrigid grasp and/or flexible object; simulation tests (MATLAB/SIMULINK).
ROBO, INTER - Study and analysis of strategies for the management of redundant
degrees of mobility for optimal reconfiguration with respect to fault tolerance
measures and safe interaction.
SENS - Development of planning and control algorithms using visual information;
simulation tests (MATLAB/SIMULINK).


Phase 3 (Cost: 50 Ml Lira / 25,833 Euro)
MANIP, INTER - Development of real-time software (C language) for the
control algorithms developed in the previous phases and preliminary experimental validation on the cooperative system in the PRISMA Lab.
ROBO, INTER - Development of techniques for the management of redundant degrees of mobility for optimal reconfiguration with respect to fault tolerance measures; simulation tests (MATLAB/SIMULINK).
SENS - Development of planning and control algorithms with motion, force and vision sensory data fusion; integration of the artificial vision system into
the experimental set-up available in the PRISMA Lab and development of real-time software (C language).


Phase 4 (Cost: 50 Ml Lira / 25,833 Euro)
Experimental validation of planning and control techniques, developed within the various themes, in the execution of meaningful tasks when interaction with the external environment and human beings occurs.

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

Anno di acquisizione Descrizione
Testo italiano Testo inglese
1.  1993 Robot industriale Comau SMART-3S a 6 assi con unità di governo C3G-9000 ad architettura di controllo aperta  Six-joint industrial robot Comau SMART-3S with C3G-9000 control unit with open control architecture 
2.  1994 Robot industriale Comau SMART-3S a 7 assi (slitta aggiuntiva alla base) con unità di governo C3G-9000 ad architettura di controllo aperta  Seven-joint industrial robot Comau SMART-3S (additional sliding track at the base) with C3G-9000 control unit with open control architecture 
3.  1995 2 sensori di forza/coppia ATI FT-30/100  Two force/torque sensors ATI FT-30/100 
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 50  25.823  2 telecamere digitali ad alte prestazioni + "frame grabber" per l'eleborazione delle immagini + sensori elettromagnetici di localizzazione + workstation di simulazione + server di rete  Two high-performance digital cameras + frame grabber for image processing + localization electromagnetic sensors + workstation + network server 
Grandi Attrezzature        
Materiale di consumo e funzionamento 10  5.165  Componenti elettronici, toner, carta, materiale di cancelleria, posta  Electronic components, toner, paper, stationery, mailing 
Spese per calcolo ed elaborazione dati 3.099  Licenze d'uso software  Software licenses 
Personale a contratto 64  33.053  2 contratti per attività di laboratorio + 1 contratto per la gestione di MISTRAL  2 contracts for laboratory activites + 1 contract for MISTRAL management 
Servizi esterni        
Missioni 45  23.241  Partecipazione a convegni internazionali, visite scientifiche presso altri laboratori di ricerca e riunioni di coordinamento di MISTRAL  Participation to international conferences, scientific visits to other research labs and MISTRAL coordination meetings 
Altro 25  12.911  Costi di struttura  University overhead 


  Euro
Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca 200  103.291 
 
Costo minimo per garantire la possibilità di verifica dei risultati 160  82.633 
 
Fondi disponibili (RD) 40  20.658 
 
Fondi acquisibili (RA) 20  10.329 
 
Cofinanziamento richiesto al MURST 140  72.304 
 


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 2000   11  5.681     
Dipartimento          
MURST (ex 40%)          
CNR          
Unione Europea          
Altro 1999   29  14.977     
TOTAL   40  20.658     

4.1.1 Altro

Contratto ASI ARS-99-78: M£ 29

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          
CNR          
Unione Europea          
Altro 1999   accettato  20  10.329   
TOTAL     20  10.329   

4.2.1 Altro

Finanziamento ASI RF99: 20 M£

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 ____________________________________________ 30/03/2000 10:41:14     





Last updated: February 5, 2002
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