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Ministero dell'Universita' e della Ricerca Scientifica e Tecnologica
Dipartimento Affari Economici



 
 
Il Form risulta regolarmente 
chiuso in data:
  27-NOV-98 
Coordinatore   SALVATORE NICOSIA 
Titolo della Ricerca   RAMSETE: ROBOTICA ARTICOLATA E MOBILE PER I SERVIZI E LE TECNOLOGIE.
Finanziamento assegnato (*)   852,000
Rd+Ra    436,940 (dichiarata) 
Durata    24 mesi

(*) tutte le cifre indicate nel modulo sono espresse in milioni!
 
 Obiettivo della Ricerca 

Le applicazioni della robotica, inizialmente confinate agli ambienti
industriali, caratterizzano ormai una molteplicità di settori. Oltre alle
applicazioni di manipolatori robotici e di robot mobili in ambiente
spaziale e, più in generale, in ambienti ad elevata tecnologia, è nell'uso
comune il concetto di robotica per i servizi civili, come il caso di robot
in medicina, ad esempio per l'ausilio alla chirurgia e alle terapie
radianti, l'uso di robot per l'assistenza ai portatori di handicap, l'uso
di robot per l'ausilio in ambiente domestico. 
Per la soluzione dei problemi ancora aperti in ambiente tecnologico e di
quelli sollevati dalle applicazioni robotiche nei servizi, è indispensabile
portare ad efficace integrazione componenti di robotica mobile (carrelli
semoventi su ruote, veicoli autonomi) e di robotica articolata (bracci e
mani robotiche); nonché le tecnologie robotiche (di sensori, attuatori,
architetture di calcolo) con le specifiche metodologie (di localizzazione,
pianificazione, controllo).
Il programma di ricerca si propone di coordinare gli sforzi di una parte
della comunità robotica italiana verso la realizzazione di robot per i
servizi civili e per gli ambienti produttivi ad elevata tecnologia. 
Le ricerche hanno come finalità principale quella di colmare le lacune
scientifiche e tecniche già note ai proponenti, di evidenziarne di nuove in
itinere e di ottenere, rispetto al corrente stato dell'arte delle
conoscenze robotiche, progressi significativi e industrialmente
applicabili. Importante sarà l'aspetto realizzativo riferito, tuttavia, non
a sistemi robotici completi ma a sotto-sistemi, intesi sia in senso
tecnico-tecnologico sia in senso metodologico, finalizzati al progresso sia
della componentistica elettronica, elettrica e meccanica sia degli
algoritmi di calcolo, delle architetture e dei sistemi informatici. Si
intende perseguire un incremento della conoscenza relativa alla
integrazione di tecnologie e metodologie in sistemi robotici mobili e
articolati. 
Prodotto indiretto, ma non secondario, sarà l'apporto di un riferimento
autorevole e completo allo sviluppatore industriale di sistemi per la
robotica di servizio e per le tecnologie, il quale vi potrà trovare
risposte ai quesiti relativi alla fattibilità, alle tecnologia e
metodologie emergenti e a quelli relativi alla collocazione delle
competenze accademiche; i proponenti ritengono, infatti, essenziale colmare
almeno in parte lo iato esistente in Italia tra mondo produttivo e mondo
accademico.

I compiti assegnati a sistemi robotici avanzati comprendono la gestione
delle azioni e del movimento in ambienti solo parzialmente strutturati, sia
tramite mobilità che tramite manipolazione, e la interazione con l'ambiente
e tra diversi agenti robotici per effettuare operazioni di manipolazione
fine. Tali compiti sono stati analizzati nel dettaglio nella preparazione
di questa proposta, giungendo alla individuazione di competenze
tecnologiche e metodologiche che si ritengono indispensabili alla
realizzazione effettiva di robot per applicazioni tecnologiche e di servizi. 
Tali competenze sono state organizzate in task, ciascun task coordinato da
una unità. Le attività di carattere maggiormente metodologico sono state
organizzate nei task MA1 (controllo dei bracci), MA2(controllo della
interazione) e MA3 (analisi e controllo degli impatti), relativamente ai
robot articolati, e nei task MM1 (localizzazione), MM2 (pianificazione) e
MM3 (controllo di veicoli anolonomi), relativamente ai robot mobili. Le
attività tecnico/tecnologiche sono organizzate nei task T1 (architetture
HW/SW), T2 (sensoristica), T3 (attuatori ai giunti) e T4 (end-effector) .
Per una descrizione dettagliata delle attività si rimanda al progetto di
ricerca.
 
 

Innovazione rispetto allo stato dell'arte nel campo

L'attività di ricerca in Italia nel settore della robotica risale
alla fine degli anni '50, presso il CNEN veniva
sviluppato un telemanipolatore di tipo Master/Slave estremamente versatile:
il MASCOT. Alcune versioni di recente costruzione di questo
telemanipolatore sono tuttora in uso presso il Joint European Torus, in
Inghilterra, ove si sperimentano reattori a fusione. Alla fine degli anni
'70, a valle delle applicazioni nell'industria manifatturiera, componenti
della comunità accademica iniziarono a dare contributi di rilevante
interesse scientifico nel campo della robotica articolata per applicazioni
industriali in ambienti strutturati, contribuendo in maniera
internazionalmente riconosciuta alla sviluppo della robotica moderna. 
Le prestazioni di robot articolati in ambienti strutturati possono ormai
essere considerate soddisfacenti; sono invece tornate di estrema attualità
applicazioni in settori tecnologici non manifatturieri, ad esempio in
ambienti ostili come quello nucleare, spaziale, sottomarino o genericamente
contaminato, e sono divenute altrettanto significative applicazioni nei
servizi civili, come nel caso delle applicazioni biomediche, di protezione
civile, di ausilio ai portatori di handicap. In tutte queste applicazioni,
oltre alle capacità della robotica industriale degli anni '80 e della
telemanipolazione degli anni '60 diventano di grande significato gli
aspetti legati alla autonomia decisionale, all'integrazione tra mobilità ed
articolazione, all'interazione con l'ambiente e all'uso di sensoristica
ambientale.

Lo studio di sotto-sistemi robotici finalizzati all'integrazione di un
sistema articolato con capacità autonome di movimento rappresenta l'attuale
frontiera della ricerca scientifica. In particolare, i problemi aperti più
significativi, e sui quali verrà concentrata l'attenzione delle attività di
ricerca comprese in questo progetto, riguardano l'integrazione di varie
funzionalità e capacità di autonomia di sistemi articolati, come ad esempio
il controllo di bracci (eventualmente flessibili) cooperanti e la loro
interazione con l'ambiente (fenomeni di contatto e di impatto), e
l'integrazione di funzionalità e capacità di autonomia di robot mobili,
come quelle legate alla localizzazione e pianificazione dinamica del moto
ed al controllo del moto. Inoltre, in tutte queste situazioni rivestono
importanza fondamentale le architetture Hw/Sw di calcolo e controllo, la
disponibilità di attuatori con prestazioni avanzate e sistemi sensoristici
complessi, ed infine lo studio dei problemi connessi al trasferimento di
tali sistemi al mondo industriale.
Specificamente, sono attesi i seguenti risultati.

1. La realizzazione di sottosistemi robotici per: la dimostrazione di leggi
di controllo per robot mobili e per bracci articolati, la dimostrazione di
sensori avanzati, la dimostrazione di algoritmi di pianificazione delle
azioni e del moto, la dimostrazione di operazioni di manipolazione fine, la
dimostrazione di algoritmi per il controllo di attuatori ai giunti, la
dimostrazione di algoritmi innovativi ed evolutivi per il controllo di
bracci robotici con elasticità distribuita.
2. Una struttura di collegamento dei laboratori per via rete informatica,
che consenta l'accesso virtuale ai laboratori di robotica italiani, con
possibilità di mantenere aggiornato in tempo reale lo stato dell'arte della
ricerca in questo settore, e l'accesso remoto a dispositivi sperimentali.
3. Una serie di due Conferenze annuali sulla Robotica per i Servizi e le
Tecnologie, da tenersi in Italia ma di carattere internazionale, con
pubblicazione degli atti.
4. La disseminazione dei risultati nell'ambiente accademico ed in quello
industriale, anche attraverso una monografia su ``Robotica Articolata e
Mobile per i Servizi e le TEcnologie', edito dal coordinamento del progetto.
 

Criteri di verificabilità
1) Criteri per la valutazione in itinere o ex post.
Si tratta in generale di valutare i risultati indicati nel progetto al
termine di ciascuna fase icorrendo agli strumenti che seguono:
Esame delle pubblicazioni scientifiche, del loro contenuto e della sede di pubblicazione.

Verifica dell'attuazione dei convegni previsti dal progetto e riscontro dei risultati in tali sedi riportati.

2) Verifica della struttura informatica di rete e della disponibilita` dei
Rapporti di Progetto, in formato elettronico, con il resoconto dei
risultati conseguiti;
3) Valutazione della qualita' e della significativita' delle
sperimentazioni che saranno condotte sia dalle singole unita',
autonomamente, sia da gruppi appartenenti a piu' unita'.
4) Valutazione della qualita' del testo con il quale, al termine del
progetto, si intende diffondere i risultati delle ricerca anche in ambienti
non accademici o di ricerca. La maggiore attenzione sara' posta sugli
aspetti relativi al trasferimento della innovazione.
 

Unità di Ricerca
 
1]  Unità di       Universita' degli Studi di ROMA "Tor Vergata"
 
     Responsabile Salvatore NICOSIA
 
     Rd+Ra      75,900 (dichiarata) 
 
     Finanziamento   184,000 
 
     Compito

1a fase
1.1 messa a punto delle conoscenze e dei procedimenti teorici essenziali, algoritmi evolutivi e filtraggio dinamico;
1.2 individuazione delle caratteristiche essenziali dei sensori di cui si pensa di far uso; caratteristica dell'approccio è quella di usare sensori di non elevata precisione che in cooperazione con altri di simile classe assicurino comunque la qualità richiesta nel processo di localizzazione;
1.3 studio e definizione delle architetture dei sensori e dei canali di misura associati con lo scopo di arrivare alla scelta della architettura di riferimento che garantisca la robustezza dell'applicazione; quindi si definiranno la finalizzazione e le procedure delle prove sperimentali. 

2 a fase
2.1 scelta degli algoritmi di fusione e loro validazione, confronto per via simulativa tra algoritmi basati su tecniche di filtraggio dinamico e algoritmi basati su tecniche di aggiornamento di tipo genetico;
2.2 scelta dei sensori di riferimento e perfezionamento dell'acquisto di attrezzatture, destinate alle prove sperimentali. 
2.3 progetto di massima delle prove sperimentali che sarà presentato nell'incontro di confronto e coordinamento. Contemporaneamente saranno portati a compimento uno o due articoli da presentare a convegni internazionali (ICRA99 e CDC99).

3a fase
3.1 prove sperimentali preliminari svolte mediante l'uso del robot NOMAD dell'unità di Roma TRE e messa a punto e prime prove di robot mobili di recente acquisto;
3.2 montaggio dei sensori per le prove definitive, verifica della funzionalità della architettura di acquisizione associata, nonché attrezzaggio di robot mobili esistenti e di robot di nuovo acquisto; 
3.3 risultati metodologici relativi alla fusione dei segnali di misura e loro pubblicazione (anche nel volume conclusivo del progetto), per il confronto e per la diffusione presso utilizzatori industriali .
4a fase 
4.1 prove sperimentali su sistemi multisensore preparate e definite nelle fasi precedenti; le prove avranno luogo presso due unità (presumibilmente Roma Tor Vergata e Roma TRE);
4.2 confronto sui risultati ottenuti e stesura della versione definitiva del contributo dell'unita' al testo di riferimento.
4.3 diffusione dell'esito delle prove a mezzo di pubblicazioni scientifiche, a mezzo di comunicazioni scientifiche sia a convegni internazionali, sia al convegno finale del progetto che sarà finalizzato anche al proseguimento dell'attività di ricerca oltre la conclusione del progetto. 

L'unità sarà inoltre attiva nei seguenti task :

T3 - Attuatori ai giunti. Studio della dinamica e del controllo di motori a riluttanza variabile del tipo "switching". Modellazione delle nonlinearita' magnetiche e costruttive tipiche dei motori a riluttanza variabile di tipo a commutazione; controllo dei SRM, mirando in particolare ad utilizzare le informazioni sul modello non lineare con la finalità di ridurre e eliminare le pendolazioni di coppia. 

Task MA1 - Controllo di bracci. Studio e sperimentazione di algoritmi di controllo per robot; studio e valutazione mediante simulazione degli algoritmi di controllo di tipo evolutivo, degli algoritmi ad apprendimento stocastico e degli algoritmi neuro-fuzzy; messa a punto del robot elastico sperimentale a due bracci elastici già disponibile; prove sperimentali con specifiche sulla precisione di posizionamernto dell'estremità del robot. Ci si aspetta precisioni dinamiche dell'ordine del decimo di millimetro su un robot di circa 0,6 metri di estensione e che staticamente deflette di qualche centimetro con un carico di 0,1 N. I risultati saranno pubblicati e faranno oggetto di parte del libro dei risultati con riferimento speciale alle applicazioni spaziali.

Task MA3 - controllo degli impatti. L'intervento dell'unità sarà limitato a contributi di tipo metodologico.
 

2]  Unità di       Universita' degli Studi di BOLOGNA
 
     Responsabile Claudio MELCHIORRI
 
     Rd+Ra      36,000 (dichiarata) 
 
     Finanziamento   83,900 
 
     Compito

 

Obiettivo principale è lo sviluppo di dispositivi sensoriali avanzati e di tecniche di controllo per sistemi robotici destinati ad operazioni di manipolazione evoluta. Le relative problematiche sono interessanti sia dal punto di vista scientifico sia per le aspettative di un diretto impiego nella realta` industriale e in altre applicazioni (medicina, servizi, ecc.).
Nonostante il cospicuo lavoro di ricerca e di realizzazione di dispositivi sperimentali, restano ancora da affrontare o da risolvere in modo soddisfacente diverse problematiche. In particolare: la determinazione delle condizioni di scivolamento e definizione di una conseguente strategia di controllo; sviluppo di metodologie per la determinazione della ``bonta`' della presa; tecniche di regrasping; possibilita` di individuazione delle caratteristiche del contatto.
Con questa proposta, si intende approfondire e portare ad una avanzata fase sperimentale un'attivita` di ricerca in parte gia` avviata nel settore del controllo di sistemi robotici e relativa allo sviluppo di sistemi sensoriali integrati di forza e tattili per la manipolazione ed al loro impiego in manipolazione robotica avanzata. 
La pianificazione di massima è la seguente:
ST1: progetto, realizzazione e messa a punto di un sistema di acquisizione composto da dispositivi sensoriali integrati di forza (miniaturizzati per l'installazione su "dita" di mani robotiche) e tattili; effettuazione delle verifiche sperimentali per la caratterizzazione dei dispositivi sensoriali realizzati e del sistema di acquisizione ed elaborazione; 
ST2: studio (con l'ausilio di simulazioni) di tecniche di controllo della manipolazione, con particolare riferimento al controllo dello scivolamento dell'oggetto afferrato (scivolamento sia traslatorio che rotatorio) e al problema del regrasping (come afferrare l'oggetto per ottimizzare la robustezza della presa).
II anno (F2)
ST3: Integrazione del sistema sensoriale su di un sistema robotico per la manipolazione: a questo scopo si potranno utilizzare sia dispositivi robotici avanzati per la manipolazione, come la University of Bologna Hand disponibile presso i nostri laboratori, che "gripper" piu` semplici, sia di tipo industriale opportunamente adattati sia progettati per applicazione speciali.
ST4: Uso del sistema cosi` costituito per l'esecuzione di compiti complessi di manipolazione, comprendenti il controllo dell'interazione in termini di forza/coppia applicata e di punto di contatto, controllo dello scivolamento, determinazione delle condizioni di stabilita` della presa e tecniche di "regrasping", con la sperimentazione delle metodologie studiate durante il primo anno.

Risultati attesi:
1) realizzazione di prototipi di sensori di forza e tattili integrati dotati di caratteristiche idonee per l'impiego in operazioni di manipolazione avanzata (dimensioni, integrati, ecc.);
2) comprensione delle possibilita` offerte dalla integrazione di dispositivi sensoriali di forza e di tipo tattile;
3) determinazione di caratteristiche dello stato dell'interazione (forze/coppie, geometria del contatto, scivolamento, attrito, ecc.) sulla base delle informazioni ottenute dai dispositivi di forza e tattili;
4) metodologie per il controllo durante manipolazione (controllo di posizione/forza, controllo dello scivolamento, ottimizzazione della presa);
5) software di simulazione delle tecniche di controllo;
6) architettura Hw/Sw di controllo ed acquisizione informazioni sensoriali;
7) pubblicazioni su riviste scientifiche, atti di congressi, monografia specifica relativa all'intero programma.
Infine, nel quadro del piano di attivita` complessiva del progetto nazionale, si potranno instaurare sinergie e/o utilizzare i prodotti dei task TM2 (Architetture Hw/Sw), TA3 (End effector), MM1 (Fusione di sensori), MA2 (Controllo dell'interazione), MA4 (pianificazione dei compiti).
 

3]  Unità di       Politecnico di TORINO
 
     Responsabile Basilio BONA
 
     Rd+Ra      35,150 (dichiarata) 
 
     Finanziamento   82,000 
 
     Compito

Analisi degli impatti: modellistica e controllo di bracci robotici soggetti ad urti con l'ambiente esterno
 

Breve descrizione del compito:

Il programma di ricerca prevede lo studio di metodologie per la modellazione, l'analisi ed il controllo del comportamento di bracci robotici, eventualmente flessibili, nei quali si verificano fenomeni di urto e di collisione. In particolare, verranno sviluppati modelli matematici dell'urto per l'analisi della "transizione" dallo stato di moto libero del braccio alla condizione di contatto con corpi esterni, in diverse "condizioni di elasticità" del braccio robotico e delle superfici esterne di contatto.

Sulla base dei modelli ottenuti saranno sviluppate strategie per il controllo dell'impatto fra la punta di un braccio robotico ed un corpo esterno: obiettivi del controllo saranno principalmente il mantenimento del contatto ed il controllo delle forze applicate. Un obiettivo ulteriore, in presenza di bracci elastici, sarà quello di attenuare le vibrazioni indotte nella struttura dal fenomeno di impatto.
Risulteranno cruciali nella definizione della legge di controllo: la conoscenza della cinematica e della dinamica del braccio robotico e dell'ambiente; la necessità di dover rilevare il momento esatto dell'impatto, qualora la strategia di controllo richieda l'utilizzo di diverse leggi nelle tre fasi di moto libero, transizione e contatto; la necessità di misurare le forze di contatto, per mezzo di opportuni sensori di forza o di deformazione, ovvero lo studio di strategie alternative di controllo che non richiedano la rilevazione dell'impatto e/o l'introduzione di sensori di forza.

È prevista un'attività sperimentale di validazione dei modelli di urto proposti e delle strategie di controllo sviluppate, che farà uso delle apparecchiature a disposizione dell'Unità Operativa di Torino o delle altre sedi interessate al medesimo compito (Roma Tor Vergata e Napoli) per poter considerare sia casi in cui l'elasticità sia concentrata solo sulla punta del braccio, sia strutture ad elasticità distribuita opportunamente sensorizzate ed attuate. A questo proposito verrà studiata la possibilità di affiancare al controllo delle forze di contatto sulla punta, realizzato per mezzo di attuatori ai giunti, l'impiego di sensori ed attuatori di tipo piezoelettrico per l'attenuazione delle vibrazioni del braccio indotte dall'impatto. Tali dispositivi potrebbero essere eventualmente usati anche come sensori di forza per il controllo, purchè l'entità delle forze scambiate rimanga sempre contenuta.
Per la messa in opera del setup sperimentale dovranno essere affrontati e risolti alcuni problemi di natura hardware e software, legati principalmente alla sensorizzazione della struttura ed alla ricostruzione dei segnali non facilmente misurabili in maniera diretta, all'integrazione di schede basate su DSP nella stazione di lavoro (PC con Matlab e MatDSP) per l'interfacciamento con il sistema robotico, per la validazione degli algoritmi di controllo in tempo reale, ed alla gestione contemporanea del controllo ai giunti e del controllo delle vibrazioni nel caso di utilizzo di trasduttori piezoelettrici su braccio flessibile.

Nel corso del programma di ricerca, l'Unità Operativa di Torino collaborerà anche al Task T1 "Architetture HW e SW" di cui è responsabile l'Unità di Genova, rendendo disponibile il pacchetto SW OpenDSP, che consente l'integrazione tra ambiente Matlab e schede DSP per la prototipazione rapida dei sistemi di controllo, e successivamente una scheda HW basata su DSP, progettata interamente dall'Unità di Torino, con elevate caratteristiche di standardizzazione ed apertura sia verso il sistema host sia verso gli I/O di campo (MatDSP Bus).
 
 

4]  Unità di       Universita' degli Studi di PISA
 
     Responsabile Antonio BICCHI
 
     Rd+Ra      48,000 (dichiarata) 
 
     Finanziamento   89,900 
 
     Compito

 

Il compito della Unita' di Pisa nell'ambito del coordinamento
nazionale consiste nel condurre ricerche di base e di realizzare
dimostrazioni di sistemi autonomi o semi-autonomi per l'afferraggio di
oggetti e la loro manipolazione. Il quadro generale di tali operazioni
e' nella robotica di servizio, e i risultati si integreranno con
quelli delle altre unita' nella realizzazione dei compiti. Dalla
analisi dello stato dell'arte, risulta necessario ricorrere al disegno
di nuovi meccanismi di presa e manipolazione a media complessita', in
grado di ottimizzare, con un opportuno disegno cinematico e delle
superfici, il livello di destrezza raggiungibile date le limitazioni
sui gradi di liberta' imposte dai vincoli di peso e affidabilita'. Un
aspetto di particolare rilievo in tal senso e' l'uso accorto che si
deve fare anche delle superfici di manipolazione secondarie, cioe'
delle parti interne delle dita ed anche del palmo. Infatti, mediante
l'uso integrale delle potenzialita' di manipolazione e presa e'
possibile ottenere prestazioni assai superiori a quanto possibile
usando solo le superfici di manipolazione "primarie", cioe' i
polpastrelli delle dita. Altro punto fondamentale della ricerca sara'
il progetto di end-effector in grado di gestire e sfruttare ai fini
della destrezza di manipolazione il rotolamento tra corpi, effetto
anolonomo in grado di aumentare la versatilita' del dispositivoi senza
aggravarne la complessita' costruttiva.
 

ORGANIZZAZIONE IN FASI
 

Operativamente, la Unita' lavorera' come segue:

1) Costituzione del gruppo, coordinamento col gruppo nazionale,
aggiornamento stato dell'arte (mesi 0-2 del programma);

2) Esame congiunto con altre Unita' delle specifiche funzionali e
tecniche di un end-effector per applicazioni di servizio, ed
evidenziazione delle eventuali carenze dello stato dell'arte (mesi 2-6
del programma);

3) analisi delle metodologie e tecnologie di progetto necessarie al
superamento delle presenti limitazioni (mesi 4-12 del programma);
 

4) prototipazione di un end-effector "destro" per applicazioni nei
servizi (mesi 10-16 del programma);

5) integrazione della sensoristica sviluppata dalla sede di Bologna
(mesi 14-16 del programma)

6) integrazione nel sistema base mobile/braccio articolato disponibile
nel laboratorio di sede (mesi 16-18 del programma);

7) preparazione contributo tecnologico/metodologico per il Libro
"RAMSETE: Robotica Articolata e mobile per i Servizi e la tecnologia"
(mesi 18-24 del programma).
 

COLLABORAZIONI AD ALTRI TASK

L'Unita' di Pisa collabora anche, in ruolo subordinato, ai tasks T2,
MM1, MM2, MM3. La organizzazione del lavoro in questi task e' spiegata
altrove nella proposta di ricerca (vedi schede coordinatori dei task,
e scheda organizzazione generale), per cui non viene ripetuta qui.

RISULTATI E VERIFICHE

Verifica Primaria 1 (dodicesimo mese): 1a) presentazione alla
Conferenza di Progetto di lavoro scientifico sugli esiti del primo
anno di lavoro, in particolare sulle innovazioni apportate allo stato
dell'arte riguardo alla riduzione della complessita' meccanica
dell'end effector per applicvazioni di servizio; 1b) dimostrazione
preliminare prototipo di end-effetor destro.

Verifica Primaria 2 (ventiquattresimo mese): 2a) presentazione alla
seconda conferenza di progetto dei risulatti della attivita'; 2b)
scrittura del capitolo del Libro del progetto riguardante gli
end-effector per la robotica di servizio; 2c) Dimostrazione finale del
prototipo di end-effector, integrato in un sistema robotico di
servizio.

Verifica Secondaria 1 (sesto mese): documento interno di relazione
sullo stato dell'arte e sulle sue manchevolezze ai fini del progetto.

Verifica Secondaria 2 (diciottesimo mese): dimostrazione del prototipo
di end-effector con integrazione sensoriale, in coordiamento col task T2.
 

5]  Unità di       Politecnico di MILANO
 
     Responsabile Gianantonio MAGNANI
 
     Rd+Ra      42,000 (dichiarata) 
 
     Finanziamento   77,900 
 
     Compito

L'attività è orientata alla messa a punto di soluzioni di controllo di forza adatte per la realizzazione e l'utilizzo in applicazioni industriali. Recenti risultati dall'Unità di Ricerca hanno messo in luce che il controllo delle forze di contatto nei robot industriali, nel caso di interazione con ambiente rigido, che ad esempio si instaura in operazioni quali la sbavatura e fresatura, può facilmente dar luogo ad oscillazioni e instabilità, a causa dell'interazione tra l'elasticità strutturale del robot e i disturbi di coppia dei motori, diventando così scarsamente utilizzabile in pratica. 
Ci si propone, in questa ricerca, di ridurre l'effetto di questi fenomeni al fine di rendere praticamente utilizzabile il controllo di forza nelle applicazioni tecnologiche. Per raggiungere tale obiettivo, la presente Unità di Ricerca si propone di compiere attività (teorica, di simulazione e sperimentale) sui seguenti fronti:

A. Riduzione del ripple di coppia nei motori brushless.
Ci si propone, nel presente progetto, di perfezionare le tecniche di identificazione dei parametri del modello, rendendole più idonee al trasferimento verso l'applicazione industriale. Un obiettivo immediato è di codificare una metodologia per la raccolta e l'elaborazione dei dati, necessari per l'identificazione del modello, in modo tale che tutte le operazioni possano essere svolte dallo stesso hardware utilizzato dall'azionamento. Un obiettivo di più lungo termine è quello di pervenire ad una forma di adattatività dell'operazione di compensazione, che aggiorni i parametri del modello del disturbo, in relazione alle condizioni operative (deriva termica dei parametri, mutamenti del carico).
B. Smorzamento delle oscillazioni del carico nei servomeccanismi robotici
L'attività svolta dall'Unità di Ricerca nel campo del controllo del moto di servomeccanismi elastici ha portato alla messa a punto di tecniche di identificazione dei parametri caratteristici dell'elasticità torsionale ai giunti, e alla sperimentazione di strategie di controllo avanzate, basate sul modello (LQG), per il controllo della posizione del carico basato sulla misura della posizione dal lato motore. Il trasferimento all'industria di tecnologie innovative nel controllo del moto impone dei compromessi tra la completezza formale degli algoritmi di controllo e la semplicità di integrazione nelle architetture di controllo esistenti. L'obiettivo sarà quello di verificare la possibilità di tale trasferimento, studiando semplificazioni alle soluzioni avanzate già messe a punto e verificando le prestazioni rispetto a soluzioni tradizionali di controllo PID.

C. Realizzazione sul controllore aperto di un robot industriale.
Attualmente i dispositivi di controllo del moto di robot industriali non prevedono né un'azione di compensazione nei confronti dei disturbi di coppia indotti dai motori, né lo smorzamento attivo delle oscillazioni indotte dalla deformabilità dei riduttori. Obiettivo della ricerca sarà la verifica dei risultati raggiunti nei punti A. e B. sul controllore "aperto" del robot disponibile nel laboratorio dell'Unità. Si tratta in particolare di verificare se i provvedimenti presi a livello di controllo di giunto siano efficaci nel migliorare la qualità delle operazioni tecnologiche svolte con controllo di forza. I risultati dei punti A. e B. avrebbero comunque una rilevanza in sè, nel miglioramento delle prestazioni del controllo del moto del robot. 
L'attività sperimentale sarà supportata, in particolare nella fase di interpretazione dei dati sperimentali, dall'uso di un simulatore del robot, già messo a punto in ambiente SIMULINK, di notevole dettaglio nella riproduzione di fenomeni critici nei robot industriali (disturbi di coppia, elasticità dei giunti, attriti). 
 

6]  Unità di       Universita' degli Studi di NAPOLI "Federico II"
 
     Responsabile Bruno SICILIANO
 
     Rd+Ra      36,000 (dichiarata) 
 
     Finanziamento   83,900 
 
     Compito

COMPITO DELL'UNITA` DI RICERCA DI NAPOLI

Controllo dell'interazione e manipolazione cooperante per sistemi
robotici operanti in ambienti a scarsa strutturazione

Obiettivo della ricerca e` lo studio di nuove metodologie per il
controllo dell'interazione e della manipolazione cooperante tra piu`
robot. Verranno sviluppate strategie di controllo forza/posizione per un
robot manipolatore il cui organo terminale interagisca con un ambiente
piu` o meno cedevole; particolare enfasi sara` posta su compiti di
interazione a sei gradi di liberta`
(forza+momento/posizione+orientamento) per tipologie diverse di contatto
con superfici a curvatura regolare. Tali strategie verranno estese al
contesto della cooperazione tra due o piu` robot, i cui organi terminali
manipolano un oggetto comune (rigido/elastico) secondo tipologie diverse
di presa dell'oggetto; verra` inoltre gestita la ridondanza cinematica
eventualmente presente nel sistema. Sono previste attivita` sperimentali
presso il Laboratorio PRISMA della U.O. che dispone di due robot
industriali Comau SMART-3S con sensori di forza/coppia ATI FT-30/100.
Elemento chiave dell'apparecchiatura sperimentale e` la disponibilita`
di una architettura di controllo aperta che consente l'interfacciamento
dei bus VME delle unita` di governo dei due robot con il bus ISA di un
singolo PC. I risultati saranno confrontati criticamente con quelli
ottenuti presso i laboratori delle UU.OO. di Bologna, Genova e Milano.
Inoltre, in collaborazione con le UU.OO. di Roma Tor Vergata e di
Torino, saranno analizzate problematiche relative all'impatto tra
manipolatore e ambiente/oggetto; si procedera` quindi ad una verifica
sperimentale di algoritmi di controllo dell'impatto sui robot
disponibili in laboratorio.

Schematicamente la ricerca sara` sviluppata secondo le seguenti fasi
(ciascuna della durata di circa sei mesi):

Fase 1:

- progetto di algoritmi di controllo di impedenza per compiti a sei
gradi di liberta` con descrizione dell'orientamento in termini del
quaternione unitario;

- progetto di algoritmi di controllo parallelo con controllo specifico
del momento di contatto e dell'orientamento dell'organo terminale;

- validazione in simulazione (MATLAB) degli algoritmi di controllo
dell'interazione.

Fase 2:

- sviluppo di software di comando (C) per gli algoritmi di controllo
dell'interazione;

- sperimentazione su robot industriale Comau SMART-3S dotato di sensore
di forza/coppia ATI FT-30/100;

- validazione in simulazione di algoritmi di controllo dell'impatto.

Fase 3:

- progetto di algoritmi di controllo forza/posizione per il sistema di
due robot cooperanti nel caso di manipolazione di un oggetto rigido;

- progetto di algoritmi di controllo forza/posizione per il sistema di
due robot cooperanti nel caso di manipolazione di un oggetto elastico;

- validazione in simulazione (MATLAB) degli algoritmi di controllo della
cooperazione.

Fase 4:

- sviluppo di software di comando (C) per gli algoritmi di controllo
della cooperazione;

- sperimentazione sul sistema di due robot industriali Comau SMART-3S,
ciascuno dotato di sensore di forza/coppia ATI FT-30/100.

- sperimentazione di algoritmi di controllo dell'impatto.

I risultati attesi dalla ricerca sono:

- architettura software/hardware per l'implementazione di algoritmi di
controllo dell'interazione e della cooperazione per sistemi robotici
operanti in ambienti a scarsa strutturazione;

- dimostrazione sperimentale della fattibilita` delle strategie proposte
su robot industriali convenzionali controllati per il tramite di un PC
standard;

- pubblicazioni su riviste scientifiche e in atti di convegni
internazionali su robotica e controllo, nonche' su monografia dedicata
al programma di ricerca di interesse nazionale.
 

7]  Unità di       Universita' degli Studi di GENOVA
 
     Responsabile Giuseppe CASALINO
 
     Rd+Ra      40,000 (dichiarata) 
 
     Finanziamento   89,900 
 
     Compito

Attività Svolte dall' Unità Operativa di Genova
 

In accordo con quanto esposto nel progetto di ricerca, si ritiene ragionevole poter organizzare le attività dell'Unità operativa di nelle seguenti quattro fasi (di cui la quarta parzialmete sovrapposta, nelle sue parti iniziali, alle prime tre) 

Fase 1: Definizione, sviluppo e messa a punto di primitive Sw di comunicazione e sincronizzazione tra processi operanti ai vari livelli dell'architettura funzionale gerarchica di controllo.
Creazione di librerie specifiche per la comunicazione tra diverse CPU, sia attraverso bus che rete locale, e messa a punto di moduli dedicati per la comunicazione e gestione di dispositivi I/O (ad es. moduli interfaccia encoder, A/D, D/A, driver per schede frame grabber, DSP, etc)
Adattamento e trasformazione dei moduli Sw e delle librerie sopra delineate in specifici blocchi per l'ambiente Simulink/RT-Workshop, al fine di far si che il loro collegamento e composizione funzionale possa quindi avvenire a livello grafico, mantenendo i meccanismi di sicronizzazione (interrupt calls, temporizzazioni, gestione semafori) trasparenti all'utente.
Estensivi test di funzionalita validazione da effettuarsi sulle piattaforme Hw distribuite disponibili presso l'unità operativa.

Fase 2: Adattamento dei già disponibili tools per il modellamento automatico di sistemi robotici a struttura arbitraria ad un loro impiego in ambito real-time; al fine cioè di consentire la generazione automatica di blocchi algoritmici (matrici di trasformazione geometrico-cinematiche, matrici caratterizzanti la dinamica, etc., utili alla costruzione di sensori generalizati e jacobiani di errore) già strutturati in blochi Simulink/RT-Workshop direttamente trasferibili all'interno delle applicazioni Sw real-time sopra definite.
Estensive prove di funzionalità generale dell'intero ambiente (Sw real time di supporto + moduli algoritmici di controllo) su diverse piattaforme Hw distribuite disponibili presso l'unità operativa.
I risultati sperimentali ottenuti relativamente a questa fase verranno messi a disposizione e confrontati con quelli derivanti da simili sperimentazioni effettuate presso le Unita Operative delle sedi di Bologna e Torino

Fase 3: Realizzazione completa di uno o più dimostratori comprensivi di robot fisici e facenti uso dell'intero ambiente sopra definito. Estensive prove di collaudo e valutazione "sul campo" delle prestazioni e delle operatività ottenibili, da effettuarsi sui set up multirobot disponibili presso l'unità operativa.
I risultati sperimentali che saranno ottenuti relativamente a questa fase confrontati criticamente con quelli ottenuti presso i laboratori delle Unità Operative delle sedi di Bologna e Napoli 

Fase 4: prosecuzione fino al loro possibile completamento delle attività di indagine concernenti approfondimenti del metodo basato su "task functions", qualora applicato a problematiche di controllo dell'interazione, nonché definizione e messa a punto, in tale ambito più completo, di possibili algebre per la composizione di task primitivi parallelizzabili.
Integrazione dei risultati all'interno delle architetture ed ambienti Hw/Sw prima sviluppati, prove di validazione sulle sole architetture Hw distribuito di calcolo, ed eventuale messa a punto di ulteriori esperimenti dimostrativi di operativita anche su sistemi multirobot fisici.
I risultati di questa fase verranno criticamente confrontati con quelli prodotti dalle sedi di Bologna, Napoli e Milano
 
 

8]  Unità di       Ia Universita' degli Studi di ROMA "La Sapienza"
 
     Responsabile Alessandro DE LUCA
 
     Rd+Ra      36,000 (dichiarata) 
 
     Finanziamento   64,000 
 
     Compito

 
 

Task MM2 (Pianificazione) 

Sviluppo di un sistema formale per la pianificazione delle azioni di un robot mobile, basato sull'estensione non monotona delle logiche dinamiche, al fine di consentire una adeguata descrizione sia di azioni di movimento che di azioni di tipo sensoriale. Studio di metodi di ragionamento che consentano di ottenere un piano condizionale attraverso la verifica di esistenza di uno stato in cui la condizione associata all'obiettivo sia soddisfatta. Tale sistema verra' utilizzato nella pianificazione delle azioni del robot mobile di tipo PIONEER operante in ambiente ufficio.

Fase 2: 
Nuovi metodi di rappresentazione di azioni sensoriali e generazione di piani condizionali.
Fase 3:
Implementazione del pianificatore di azioni sul robot mobile PIONEER.

Task MM3 (Controllo di veicoli anolonomi) 

Per il controllo di veicoli mobili anolonomi si considerano due situazioni operative: 
a) Manovra di riconfigurazione (parcheggio o docking) in campo libero. Valutazione delle prestazioni di leggi di controllo in feedback in presenza di incertezze su parametri cinematici del veicolo, inaccuratezze degli attuatori, disturbi esogeni, assenza di misure complete o reazione da sensori eterocettivi. Sviluppo di un algoritmo di stabilizzazione robusta basato sulla applicazione iterativa di comandi ad anello aperto che garantiscano ad ogni passo una contrazione dell'errore verso zero.
b) Moto su traiettorie ammissibili in presenza di ostacoli rilevati in linea. Progetto di uno schema integrato composto da un pianificatore di moto incrementale ed una legge di controllo anolonoma per la navigazione in ambienti con presenza di ostacoli, con eventuali euristiche. L'obiettivo finale è la validazione sperimentale di uno o più metodi .

Fase 1:
- Aggiornamento dello stato dell'arte sulle leggi di controllo per riconfigurazioni/ inseguimento di traiettorie in assenza di ostacoli e per navigazione locale tra ostacoli. Si considerano diverse tipologie cinematiche a mobilità ristretta.
- Definizione delle caratteristiche di riferimento per il veicolo, i sensori, l'ambiente e i compiti dimostrativi. 
Fase 2:
- Valutazione degli algoritmi di controllo esistenti e innovativi per problemi di riconfigurazione/ inseguimento di traiettorie di robot mobili (caso a).
- Valutazione di algoritmi di pianificazione e controllo del moto di robot mobili su ruote in presenza di ostacoli (caso b) 
- Confronto per simulazione in condizioni nominali e perturbate per valutare complessità di calcolo, comportamento transitorio e robustezza (caso a) ed efficacia e completezza dei metodi in ambienti di tipo standard (caso b).
Fase 3:
- Verifica sperimentale degli algoritmi di controllo per robot mobili in campo libero sui veicoli di riferimento disponibili presso questa e/o altre Unità del progetto.
- Verifica sperimentale degli algoritmi di pianificazione e controllo del moto di robot mobili su ruote in presenza di ostacoli sui veicoli ed ambienti interni di riferimento presso questa e/o altre Unità del progetto.
Fase 4:
- Stesura e coordinamento del capitolo sul controllo di veicoli anolonomi della monografia .

TASK MA1 (Controllo dei bracci)

Studio di metodi innovativi per il controllo di manipolatori sottoattuati in manovre di riconfigurazione, basati su strumenti di analisi nonlineare e tecniche di controllo avanzato. I risultati verranno valutati sia per simulazione che mediante sperimentazione sul robot FLEXARM presso l'Unità e/o su un nuovo dispositivo planare a 2 giunti rotanti, di cui uno solo attuato.

Fase 2:
Definizione di un algoritmo di controllo robusto per la riconfigurazione di un manipolatore 2R planare con il primo giunto attuato e simulazione estensiva.
Fase 3:
Implementazione del controllore su piattaforma sperimentale presso l'Unità.
Fase 4:
Contributo al testo della monografia .
 

9]  Unità di       Universita' degli Studi ROMA TRE
 
     Responsabile Lorenzo SCIAVICCO
 
     Rd+Ra      60,000 (dichiarata) 
 
     Finanziamento   60,000 
 
     Compito

Il programma riguarda l'insieme delle funzioni che
consente ad un robot mobile di muoversi in un ambiente (parzialmente) noto,
e segnatamente (a) pianificazione delle azioni, (b) pianificazione delle
traiettorie, (c) aggiramento degli ostacoli.

L'ambiente cui si fa riferimento è un ambiente interno non completamente noto e soggetto a cambiamenti moderati e
ben localizzati; un robot mobile dovrà essere in grado di
pianificare all'interno di questo ambiente le sue azioni, i cammini
necessari, evitando ostacoli
inattesi.

Articolazione in fasi
Fase 1
Nella prima
fase del
lavoro si prevede di effettuare una valutazione dei metodi di pianificazione relativamente
alle possibilità di estensione alle nuove richieste e di compatibilità fra
di loro e con i moduli sviluppati presso altre unità. Si inizierà ad affrontare il problema della valutazione delle possibili
soluzioni, che inizialmente potrà fare riferimento al software di
simulazione del robot mobile NOMAD, assunto come piattaforma di prova.
Fase 2
Si prevede di affrontare il problema della realizzazione di mappe di un
ambiente soggetto a cambiamenti moderati e localizzati, con
enfasi sulla possibilità di rilevare "rapidamente" l'avvenuto cambiamento a
partire dai dati
sensoriali. Sulla base di precedenti esperienze si integreranno nel software
un pianificatore di traiettorie in grado di procedere alla riconfigurazione
del cammino, qualora si verifichino cambiamenti nell'ambiente, e un sistema
di obstacle avoidance in grado di comunicare al pianificatore l'insorgere di
situazioni impreviste.
Si inizierà, inoltre, la realizzazione del pianificatore delle operazioni
per situazioni non completamente statiche, con tecniche di intelligenza
artificiale.
Contemporaneamente si integrerà nel simulatore uno strumento utile alla realizzazione si sistemi basati su regole.
Fase 3
Le esperienze derivanti dalle prove sui componenti sviluppati nella fase
precedente saranno impiegate per apportare le necessarie correzioni al
sistema di navigazione. Si procederà inoltre a realizzare un pianificatore
dei cammini basato sulle caratteristiche dell'ambiente. Un ambiente interno
spesso è noto come un insieme limitato di caratteristiche (corridoio angolo
incrocio) correlate logicamente ma senza riferimento ad una metrica precisa
(le distanze tra le caratteristiche). Per muoversi autonomamente, il robot
deve quindi pianificare il cammino basandosi su tale tipo di informazioni e
riconoscere, grazie ai sensori esterocettivi, il susseguirsi dei "luoghi".
La maggiore difficoltà nasce dalla possibilità di erronei riconoscimenti, da
gestire in modo appropriato con la formulazione/validazione di ipotesi. Sono
evidenti le connessioni coi problemi di localizzazione da una parte e con la
pianificazione basata su regole dall'altra.
Parallelamente si completerà la realizzazione e l'integrazione del
pianificatore di azioni.
Fase 4
Questa fase è destinata alla messa a punto del sistema di navigazione nel
suo complesso. Oltre alle prove per simulazione effettuate nelle fasi
precedenti, verranno compiuti esperimenti sul robot mobile NOMAD che
consentiranno, oltre all'affinamento delle varie parti, anche la loro
caratterizzazione sulla base delle metodologie di valutazione studiate.
 
 

10]  Unità di       Universita' degli Studi di PERUGIA
 
     Responsabile Michele LA CAVA
 
     Rd+Ra      27,890 (dichiarata) 
 
     Finanziamento   36,500 
 
     Compito

Il programma di ricerca che si intende svolgere rappresenta la prosecuzione e l'ampliamento di attività in precedenza avviate nel settore del controllo dei bracci di un robot ed in particolare di robot con bracci flessibili.
A tale scopo verranno affrontati i temi di seguito elencati.
1. Analisi delle interazioni fra robot e ambiente. 
Si prevede di effettuare un'analisi delle forze che si generano in conseguenza del contatto fra robot e ambiente, tenendo conto della elasticità distribuita.
2. Sintesi di leggi di controllo forza/posizione. 
Si svilupperanno leggi di controllo atte a garantire il mantenimento del contatto secondo una traiettoria prestabilita fra l'estremità di lavoro del robot ed il sistema con cui esso è portato ad interagire con continuità. In quest'ambito sarà dedicata particolare attenzione all'effetto dell'eventuale elasticità distribuita dei bracci robotici.
3. Controllo di traiettoria degli estremi delle appendici robotiche. 
Ci si propone di effettuare un confronto fra tecniche di controllo di tipo neuro-fuzzy, già in precedenza sperimentate dagli stessi proponenti, e tecniche di controllo robusto (Hinfinito) adattate ai modelli nonlineari dei robot.
4. Controllo di traiettoria mediante retroazione visiva. 
Si prevede di indagare sugli aspetti relativi ai problemi di posizionamento ed di inseguimento di traiettoria mediante retroazione visiva. In particolare, la telecamera dovrebbe consentire la misura degli spostamenti elastici di un numero sufficientemente elevato di punti; la deformata costituisce il segnale di retroazione per attuatori distribuiti lungo il braccio (es. piezoelettrici) che controllano l'ampiezza delle oscillazioni a frequenza più elevata, lasciando ad un attuatore concentrato il compito di controllare le oscillazioni a bassa frequenza.
5. Controllo dell'interazione con l'ambiente mediante retroazione visiva. 
Ci si propone di indagare sulla possibilità di utilizzare la retroazione da sistemi di visione per gestire le fasi dell'interazione del robot con l'ambiente, come ad es. presa di oggetti fissi e in movimento, aggiramento di ostacoli, inseguimento di traiettorie vincolate, ecc..
6. Strategie di ottimizzazione per il progetto integrato del sistema di controllo e della struttura robotica. 
Saranno trattate le problematiche connesse alla progettazione integrata del sistema di controllo e della struttura al fine di ottenere gli obiettivi prefissati (ad es. precisione nell'esecuzione del task), tenendo conto di eventuali i vincoli presenti: consumo di energia, potenza massima degli attuatori, masse dei link. Data la natura del problema si prevede di utilizzare tecniche evolutive.
7. Verifica sperimentale. 
Si prevede la verifica sperimentale degli algoritmi sviluppati sia presso il laboratorio di robotica in allestimento presso l'Università di Perugia, sia utilizzando le attrezzature di altri laboratori di robotica partecipanti a questo progetto. Preliminarmente alla verifica sperimentale sarà utilizzato per la simulazione della struttura robotica il software ADAMS.
 
 

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