MINISTERO DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA
DIREZIONE GENERALE PER IL COORDINAMENTO E LO SVILUPPO DELLA RICERCA
PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE
RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (DM n. 1175 del 18 settembre 2007)
PROGETTO DI RICERCA - MODELLO A
Anno 2007 - prot. 2007CCRNFA
1 - Titolo del Progetto di Ricerca
Testo italiano
Sicurezza per l'Interazione nel Contatto tra Umani, Robot e Ambiente (SICURA)
Testo inglese
Safe Physical Interaction between Robots and Humans (SICURA)
2 - Durata del Progetto di Ricerca
24 Mesi
3 - Area Scientifico-disciplinare
09: Ingegneria industriale e dell'informazione 100%
4 - Settori scientifico-disciplinari interessati dal Progetto di Ricerca
ING-INF/04 - Automatica
ING-IND/14 - Progettazione meccanica e costruzione di macchine
ING-IND/13 - Meccanica applicata alle macchine
5 - Coordinatore Scientifico
DE LUCA
ALESSANDRO
Professore Ordinario
11/10/1957
DLCLSN57R11H501E
06 77274033
(Numero fax)
[email protected]
Università degli Studi di ROMA "La Sapienza"
Facoltà di INGEGNERIA
Dipartimento di INFORMATICA E SISTEMISTICA
06 77274052
(Prefisso e telefono)
6 - Curriculum scientifico
Testo italiano
Dottorato di Ricerca (1987, I ciclo). Ricercatore universitario (1988-1992). Professore Associato (1992-2000, confermato dal 1995) presso l'Università di Milano e
Roma "La Sapienza". Professore Straordinario (2000-2003) e Ordinario (dal 2003) presso l'Università di Roma "La Sapienza". I suoi interessi di ricerca riguardano
la modellistica, la pianificazione ed il controllo del moto per robot con giunti o bracci flessibili, robot cinematicamente ridondanti, robot sottoattuati, e robot mobili
su ruote; il controllo ibrido forza-velocità, l'apprendimento iterativo, l'asservimento visuale, e la diagnosi di guasti. Ha pubblicato oltre 130 articoli su rivista e a
congresso ed è stato co-editore del libro "Advances in Control of Articulated and Mobile Robots" (Springer, 2004). E'stato General Chair della 2007 IEEE Int. Conf.
on Robotics and Automation (ICRA'07). Attualmente è Editor-in-Chief delle IEEE Transactions on Robotics (2003-2008) e Fellow della IEEE. Per le sue ricerche, ha
ricevuto nel 2005 l'Helmholtz-Humboldt Forschung Preis riservato a ricercatori stranieri. Dal Settembre 2005 all'Aprile 2006, ha trascorso un sabbatico presso il
DLR di Wessling (Germania). E' stato Presidente del Technical Committee on Flexible Manipulators (1991-1995) della Robotics and Automation Society ed AdCom
Member di EURON, European Robotics Network. E' stato Associate Editor (1994-96) e poi Editor (1997-2003) delle IEEE Transactions on Robotics and Automation.
Membro dell'IPC: 4th IFAC Symp. on Robot Control (1994), 33rd IEEE Conf. on Decision and Control (1994), 1998-2004 e 2006 IEEE Int. Conf. on Robotics and
Automation, 2002, 2004-2006 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems. Membro del NOC: 3rd European Control Conf. (1995), 2006 IFAC Symp. on
Robot Control. Responsabile di progetti di ricerca: MURST 40% (1993, Milano; 1995-96, La Sapienza), MURST 60% (1994, 1996-98, Ingegneria, La Sapienza), EU
ESPRIT BRA III "PROMotion" (1992-95, La Sapienza), Progetto Speciale CNR (1996-97, La Sapienza), Progetto Cofinanziato MURST 1998 "RAMSETE" (La
Sapienza), Progetto Cofinanziato MURST 2000 "MISTRAL" (La Sapienza), EU STREP Project "CyberWalk" (2005-2007), EURON Prospective Research Project
"Phridom" (2006), EU STREP Project "PHRIENDS" (2006-2008).
Testo inglese
Ph.D in Systems Engineering (1987). Research Associate (1988-1992). Associate Professor (1992-2000, tenure since 1995) at Università di Milano and Università di
Roma "La Sapienza". Full Professor (from 2000, with tenure since 2003) at Università di Roma "La Sapienza". His scientific interests cover modeling, motion
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planning and control of robots with elastic joints or links, kinematically redundant robots, underactuated robots, and wheeled mobile robots, hybrid force-velocity
control, iterative learning, and fault diagnosis. He is author of more than 120 journal and conference papers and editor of the book "Advances in Control of
Articulated and Mobile Robots'' (Springer, 2004). He has been General Chair of the 2007 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation (ICRA'07). He is currently the
Editor-in-Chief of the IEEE Transactions on Robotics (2003-2008) and a Fellow of IEEE. He has been awarded the German Helmholtz-Humboldt Research Award
for foreign researchers in 2005. From September 2005 to April 2006, he spent a sabbatical leave at the DLR in Wessling (Germany). He has chaired the Technical
Committee on Flexible Manipulators (1991-1995) of the IEEE Robotics and Automation Society and an AdCom Member of EURON, European Robotics Network. He
has been Associate Editor (1994-96) and then Editor (1997-2003) of IEEE Transactions on Robotics and Automation. IPC Member: 4th IFAC Symp. on Robot
Control (1994), 33rd IEEE Conf. on Decision and Control (1994), 1998-2004 and 2006 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 2002 and 2004-2006 IEEE/RSJ
Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems. NOC Member: 3rd European Control Conf. (1995), 2006 IFAC Symp. on Robot Control. Major research grants:
MURST 40% (1993, Milano; 1995-96, La Sapienza), MURST 60% (1994, 1996-98, Ingegneria, La Sapienza), EU ESPRIT BRA III "PROMotion" (1992-95, La
Sapienza), CNR Special Project (1996-97, La Sapienza), MURST 1998 Project "RAMSETE" (La Sapienza), MURST 2000 Project "MISTRAL" (La Sapienza, EU
STREP Project "CyberWalk'' (2005-2007), EURON Prospective Research Project "Phridom'' (2006), EU STREP Project "PHRIENDS" (2006-2008).
7 - Pubblicazioni scientifiche più significative del Coordinatore Scientifico
1. A. DE SANTIS, B. SICILIANO, DE LUCA A., A. BICCHI. (2007). An atlas of physical human-robot interaction. MECHANISM AND MACHINE
THEORY. ISSN: 0094-114X. in press; available on line since May 18, 2007.
2. ZOLLO L, SICILIANO B, DE LUCA A., GUGLIELMELLI E. (2007). PD control with on-line gravity compensation for robots with flexible link.
2007 European Control Conf. Jul 2007. (pp. 4365-4370). Kos, H.
3. DE LUCA A., ALBU-SCHAEFFER A, HADDADIN S, HIRZINGER G. (2006). Collision detection and safe reaction with the DLR-III lightweight
manipulator arm. 2006 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems. Oct 2006. (pp. 1623-1630). Beijing, PRC.
4. MATTONE R, DE LUCA A. (2006). Nonlinear fault detection and isolation in a three-tank heating system. IEEE TRANSACTIONS ON
CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY. vol. 14 (6), pp. 1158-1166 ISSN: 1063-6536.
5. MATTONE R., DE LUCA A. (2006). Relaxed fault detection and isolation: An application to a nonlinear case study. AUTOMATICA. vol. 42
(1), pp. 109-116 ISSN: 0005-1098.
6. DE LUCA A., FARINA R., LUCIBELLO P. (2005). On the control of robots with visco-elastic joints. 2005 IEEE Int. Conf. on Robotics and
Automation. (pp. 4297-4302). Barcelona, E.
7. DE LUCA A., MATTONE R. (2005). An identification scheme for robot actuator faults. 2005 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and
Systems. (pp. 1127-1131). Edmonton, CND.
8. DE LUCA A., MATTONE R. (2005). Sensorless robot collision detection and hybrid force/motion control. 2005 IEEE Int. Conf. on Robotics
and Automation. (pp. 999-1004). Barcelona, E.
9. DE LUCA A., SICILIANO B., ZOLLO L. (2005). PD control with on-line gravity compensation for robots with elastic joints: Theory and
experiments. AUTOMATICA. vol. 41 (10), pp. 1809-1819 ISSN: 0005-1098.
10. MATTONE R., DE LUCA A. (2005). Conditions for detecting and isolating sets of faults in nonlinear systems. Joint 44th IEEE Conf. on
Decision and Control/European Control Conf. 2005. (pp. 1005-1010). Seville, E.
11. ZOLLO L., SICILIANO B., DE LUCA A., GUGLIELMELLI E., DARIO P. (2005). Compliance control for an anthropomorphic robot with
elastic joints: Theory and experiments. JOURNAL OF DYNAMIC SYSTEMS, MEASUREMENT AND CONTROL. vol. 127 (3), pp. 321-328
ISSN: 0022-0434.
12. BENOSMAN M., LE VEY G., LANARI L., DE LUCA A. (2004). Rest to rest motion for planar multi-link flexible manipulators through backward
recursion. JOURNAL OF DYNAMIC SYSTEMS, MEASUREMENT AND CONTROL. vol. 126 (1), pp. 115-123 ISSN: 0022-0434.
13. DE LUCA A., FARINA R. (2004). Dynamic properties and nonlinear control of robots with mixed rigid/elastic joints. 2004 Int. Symp. on
Robotics and Automation. Seville, E.
14. DE LUCA A., MATTONE R. (2004). An adapt-and-detect actuator FDI scheme for robot manipulators. 2004 IEEE Int. Conf. on Robotics and
Automation. (pp. 4975-4980). New Orleans, LA.
15. DE LUCA A., MATTONE R. (2003). Actuator failure detection and isolation using generalized momenta. 2003 IEEE Int. Conf. on Robotics
and Automation. (pp. 634-639). Taipei, ROC.
8 - Elenco delle Unità operative
Unità
Responsabile dell'Unità di
Ricerca
Qualifica
Ente
Impegno
I
DE LUCA Alessandro
Professore Ordinario
Università degli Studi di ROMA "La
Sapienza"
54
II
VASSURA Gabriele
Professore Associato
confermato
Università degli Studi di BOLOGNA
30
III
SICILIANO Bruno
Professore Ordinario
Università degli Studi di NAPOLI "Federico
II"
40
IV
BICCHI Antonio
Professore Ordinario
Università degli Studi di PISA
55
V
TORNAMBE' Antonio
Professore Ordinario
Università degli Studi di ROMA "Tor
Vergata"
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9 - Abstract del Progetto di Ricerca
Testo italiano
Il programma di ricerca riguarda lo sviluppo di metodologie per l'impiego di sistemi robotici operanti in ambienti antropici in cui la sicurezza dell'interazione fisica
tra utente umano e macchina assume un ruolo cruciale. Applicazioni significative di tali sistemi riguardano sia la robotica di servizio per usi civili (medicina,
assistenza ai disabili, aiuto domestico, operazione di robot umanoidi) che la robotica industriale (cooperazione stretta tra utente e robot). Il gruppo di ricerca è
composto da una selezione rappresentativa di ricercatori di Automatica che lavorano da anni nella Robotica, corredato di un'unità con ampia esperienza nel campo
della progettazione meccanica di strutture robotiche. Temi di ricerca di rilievo per l'esecuzione del programma includono problematiche di progetto meccatronico e
di controllo del moto di robot manipolatori e di mani robotiche dotate di cedevolezza strutturale eventualmente variabile, di modellistica degli impatti robot-utente, di
rilevamento sensoriale di situazioni di pericolo o collisione, di pianificazione di movimenti che minimizzino le conseguenze di urti accidentali, di controllo sicuro
dell'interazione fisica con limitato degrado delle prestazioni dinamiche, di tolleranza a malfunzionamenti.
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Testo inglese
The goal of the research program is the development of comprehensive methodologies allowing the use of robotic systems in anthropic environments where natural
behavior and safety issues in the physical interaction between human user and robotic devices are crucial. Significant applications of such systems include service
robotics for civil use (medicine, assistance to disabled people, domestic aids, operation of humanoid robots) as well as in advanced industrial robotics (in view of a
more strict cooperation between users and robots). The research team is composed by selected researchers from the control area working since years in robotics,
completed by a research unit with a long experience in the mechanical design of robot hands and devices. Relevant research themes within this program include:
mechatronic design and motion control of robot manipulators and dextrous hands with possibly varying structural compliance; modeling of the human-robot impacts;
sensor-based detection of dangerous situations and collisions; planning of robot trajectories that minimize the risks associated to unpredicted collisions; safe-oriented
control of physical interactions preserving as much as possible dynamic robot performance; tolerance to robot faults.
10 - Parole chiave
nº
1.
2.
3.
4.
5.
Parola chiave (in italiano)
ROBOTICA ANTROPICA
Parola chiave (in inglese)
ANTHROPIC ROBOTICS
ROBOT INSTRINSECAMENTE CEDEVOLI INTRINSICALLY COMPLIANT ROBOTS
CONTROLLO DELL'INTERAZIONE FISICA CONTROL OF PHYSICAL INTERACTION
SICUREZZA
SAFETY
MANI ROBOTICHE
DEXTROUS ROBOT HANDS
11 - Obiettivi finali che il Progetto si propone di raggiungere
Testo italiano
Dopo il grande sviluppo delle applicazioni robotiche degli anni '80-'90, principalmente legato ad impieghi industriali in ambienti altamente strutturati e controllati,
la ricerca robotica si va orientando verso applicazioni diverse in cui è prevedibile e a volte necessaria una più stretta interazione fisica con utenti umani ed in
condizioni operative fortemente variabili e/o di scarsa predicibilità. Con il termine Robotica Antropica si intende lo studio delle metodologie e delle tecnologie per la
realizzazione di strutture robotiche (manipolatori, organi terminali) che operino in ambienti coabitati con l'uomo. Venendo meno l'esclusiva funzione dell'utente
quale operatore-programmatore fuori linea del robot, occorre affrontare problematiche che coinvolgono aspetti di sicurezza, affidabilità, naturalezza di moto e di
interazione fisica dei robot antropici, senza rinunciare necessariamente alle prestazioni tradizionali di queste macchine automatiche (velocità, precisione,
ripetibilità). Il mercato potenziale di questa robotica centrata sull'uomo comprende diversi esempi significativi: robot di ausilio alle operazioni medico-chirurgiche o
per l'assistenza personale, sistemi cooperanti robot-utente ed esoscheletri per estendere le capacità umane o ridurre l'affaticamento e i danni da lavoro manuale,
robot domestici o per l'intrattenimento.
I temi di ricerca da sviluppare per ottenere una sicura ed efficace coabitazione uomo-robot sono di svariata natura e di portata scientifica rilevante. Tali temi
richiedono l'integrazione e la sinergia di diverse competenze relative di meccanica, di attuazione, sensoriali e di controllo in strutture robotiche multiarticolate e di
manipolazione. Obiettivo del programma di ricerca SICURA è lo sviluppo di dispositivi robotici e delle relative tecniche di pianificazione del moto e di controllo
sensoriale in grado di garantire un'interazione fisica utente-robot naturale e sicura. Vale il principio generale che "un robot non deve mai provocare danni ad esseri
umani...".
Le Unità partecipanti a questo programma costituiscono una selezione qualitativamente significativa della comunità Automatica e Meccanica italiana operante nel
settore della Robotica da più di un ventennio, con competenze complementari ma con affinità di approccio ai problemi. I ricercatori impegnati sono
internazionalmente noti ed hanno prodotto risultati di ricerca ampiamente riconosciuti, oggetto di pubblicazione in sedi prestigiose. I responsabili delle singole Unità
sono impegnati ai massimi livelli nei comitati scientifici delle associazioni, dei convegni e delle riviste di riferimento del settore. I ricercatori presenti in SICURA
hanno inoltre contribuito al successo di precedenti programmi di ricerca co-finanziati dal MIUR (RAMSETE (1998), http://www-lar.deis.unibo.it/ramsete, MISTRAL
(2000), http://www-lar.deis.unibo.it/mistral, MATRICS (2002), http://www-lar.deis.unibo.it/matrics).
E' utile notare infine che tre delle cinque Unità sono state coinvolte anche nel progetto quadro PHRIDOM, finanziato nell'ambito della rete europea EURON, il cui
obiettivo principale è stato l'individuazione di una roadmap e dei domini applicativi della robotica antropica,
e partecipano al progetto europeo PHRIENDS (Physical Human-Robot Interaction: Dependability and Safety), su tematiche affini, con partners industriali.
Le ricerca in ambito SICURA avrà come finalità principale quella di approfondire gli aspetti scientifici e tecnici già in parte affrontati dai proponenti, di evidenziare
le prestazioni raggiungibili ed i limiti di sistemi robotici esistenti e di proporre nuove soluzioni meccaniche e di controllo sensoriale, ottenendo progressi significativi
rispetto al corrente stato dell'arte e suscettibili di ricadute applicative. Importante sarà l'aspetto sperimentale con la validazione di metodi di controllo sensoriali
(basati su visione e/o feedback di forza) e la prototipazione di componenti di mani robotiche e di semplici robot manipolatori con cedevolezza intrinseca. Il dato
comune ed innovativo sarà l'approccio orientato alla sicurezza e alla naturalezza dell'interazione fisica con l'utente.
RISULTATI PREVISTI
La realizzazione di un prototipo di mano robotica soffice, con articolazioni cedevoli, tendini e polpastrelli cedevoli.
La realizzazione di un prototipo di manipolatore sicuro, basato su attuatori innovativi a cedevolezza variabile.
La definizione e validazione con misure sensoriali appropriate di modelli matematici dell'urto tra robot e utenti umani.
Lo sviluppo e l'implementazione di tecniche di pianificazione e controllo del moto per manipolatori intrinsecamente cedevoli.
La definizione di schemi di riconoscimento automatico di collisioni in assenza di sensorizzazione aggiuntiva.
Lo sviluppo e l'implementazione di schemi di controllo sensoriale forza visione per l'interazione sicura con l'ambiente.
La realizzazione di una struttura di collegamento attraverso rete informatica dei laboratori di robotica coinvolti, per permettere una più facile reperibilità del
materiale aggiornato sullo stato della ricerca.
Sessioni ad invito sulla robotica antropica, da tenersi in occasione di conferenze internazionali con pubblicazione degli atti, e sessioni divulgative in occasione di
convegni nazionali di interesse anche nel settore applicativo.
ARTICOLAZIONE DEL PROGRAMMA DI RICERCA
La realizzazione dell'obiettivo della ricerca prevede l'approfondimento e l'integrazione di diversi aspetti e competenze tecniche indispensabili all'operatività effettiva
di robot in ambienti antropici. Tali competenze, in parte condivise dai ricercatori coinvolti, sono articolate in quattro Temi di ricerca dettagliati nella Descrizione al
punto 13:
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Tema MECC: Meccanica - Coordinamento UNIBO: Università di Bologna;
Tema PLAN: Pianificazione - Coordinamento UNIPI: Università di Pisa;
Tema SENS: Sensori - Coordinamento UNIROMA2: Università di Roma "Tor Vergata";
Tema CONT: Controllo - Coordinamento UNINA: Università di Napoli Federico II.
Pur in presenza di una stretta coesione tra questi temi, si è preferito assegnare delle funzioni di coordinamento alle singole Unità, in base alle esperienze pregresse e
agli interessi attuali di ricerca, ai fini di un migliore monitoraggio delle attività. Il coordinamento scientifico ed amministrativo dell'intero progetto sarà svolto
dall'Unità UNIROMA1: Università di Roma "La Sapienza".
Ulteriori informazioni sulla struttura di SICURA saranno disponibili sul sito Web http://www.dis.uniroma1.it/labrob/sicura in allestimento, che consentirà l'accesso
ai siti delle varie Unità.
Testo inglese
After the huge developments of robotic applications in the '80s and '90s, mainly related to industrial highly structured environments, robotics research is aiming at
new domains. These are characterized by an expected, and sometimes even necessary, closer physical interaction with human beings in unpredictable and varying
environments.
Anthropic Robotics covers the study of methodologies and technologies needed for robotic devices (manipulators, end-effectors) servicing in enviroments shared with
humans. These are not anymore conceived as merely operators programming off-line the robots, but as fully involved co-actors in the robotic tasks. This requires to
address problems related to safety, reliability, and dependability of the anthropic robot motion and of its physical interaction with humans, still keeping in mind the
need for traditional robot performance (speed, accuracy, repeatability). Human-centered robotics opens many significant markets, such as: robotic assistants in
surgical and minimally invasive operations, personal robots, industrial cobots (cooperating robots) for material handling, exoskeletons as power extenders aimed at
improving performance or reducing fatigue and potential damages due to manual labour, domestic or entertainment robots, and so on.
The research themes to be developed in order to achieve a safe and effective human-robot cohabitation are quite different in nature and of high scientific relevance.
They require an sinergetic integration of specific expertise on mechanical design, actuator and sensory systems, and control methods for articulated robots and
manipulation structures.
The goal of the research program SICURA is the development of innovative robotic devices and of the associated motion planning and control techniques so as to
allow a safe and natural human-robot physical interaction, according to the well known principle "a robot should never harm a human ...".
The participating Research Units are a qualified selection from the national Control and Mechanical communities, involved with Robotics since two decades, and
with complementary expertise. The involved researchers are well known at the international level and have produced widely-recognized research results that
appeared in major archival publications. The responsibles of all Units are engaged at the top level in scientific committees of those societies, conferences and
journals which constitute a reference in the field. The acting researchers in SICURA have also contributed to the success of previous research programs co-funded by
MIUR (RAMSETE (1998), http://www-lar.deis.unibo.it/ramsete, MISTRAL (2000), http://www-lar.deis.unibo.it/mistral, MATRICS (2002),
http://www-lar.deis.unibo.it/matrics).
It should be noted that three out of five Research Units have participated in the prospective research program PHRIDOM, sponsored by the european robotic network
EURON, whose main objective has been to define a roadmap and application domains for anthropic robots, and take also part to the European project PHRIENDS
(Physical Human-Robot Interaction: Dependability and Safety) on related subjects together with industrial partners.
The multiple aims of the research activities within SICURA are to further investigate scientific and technical aspects preliminarly developed by the proponents, to
characterize the achievable performance and limitations of current robotic systems, and to propose new mechanical and sensor-based control solutions. Significant
progresses are expected with respect to the state-of-the-art, with possible application outcomes.
A key point will be the experimental validation of control schemes (based on visual and/or force sensory feedback) and the construction of prototypes of robot hands
and simple manipulators with intrinsic compliance. The common novelty is a safe-oriented design approach, yielding also a more natural feeling in the human-robot
physical interaction.
EXPECTED RESULTS
Realization of a prototype of a soft robotic hand, with flexible hinges, tendons, and compliant pads.
Realization of a prototype of a safe manipulator, based on the variable impedance approach.
Definition and experimental validation of a mathematical model of the robot-human impact exposure.
Design and implementation of trajectory planning and control techniques for intrinsically compliant manipulators.
Definition of automatic detection schemes for physical collisions, based only on proprioceptive sensing.
Design and implementation of force/vision hybrid or parallel control schemes for a safe interaction with the environment.
Realization of a internet-based network between the various robotic labs allowing on-line access to updated material and results of the project.
Invited sessions on anthropic robotics to be held in conjunction with major international conferences and in national workshops, especially addressed to the
participation of people from industry.
RESEARCH PROGRAM ORGANIZATION
In order to pursue the goal of the research program, as series of aspects have to be individually investigated and then integrated. The technical skills needed for the
development and effective operation of anthropic robots are organized in four research Workpackages, later detailed in Section 13:
Workpackage MECC: Mechanics - Coordination UNIBO: Università di Bologna;
Workpackage PLAN: Planning - Coordination UNIPI: Università di Pisa;
Workpackage SENS: Sensing - Coordination UNIROMA2: Università di Roma "Tor Vergata";
Workpackage CONT: Control - Coordination UNINA: Università di Napoli Federico II.
These Workpackages are strictly cohesive and all partners will contribute to more than one. The coordination tasks have been assigned based on the background and
current research interests of the Units, mostly in order to facilitate the management and monitoring the progress of the research activities. Scientific and
administrative coordinator of the whole project will be the Unit UNIROMA1: Università di Roma "La Sapienza".
Further information on the structure of SICURA will be later available at the web site http://www.dis.uniroma1.it/labrob/sicura, from which the sites of the various
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Units can be accessed.
12 - Stato dell'arte
Testo italiano
Nel contesto della robotica antropica [1-4], si pone qui l'attenzione sul progetto meccanico e sul controllo di robot manipolatori cedevoli e di mani robotiche con
caratteristiche di compliance, sulla modellistica dell'impatto tra robot e utenti umani, sul riconoscimento di collisioni e guasti, nonché sull'uso di sensori esterni per il
controllo del moto e dell'interazione.
Robot manipolatori intrinsecamente cedevoli
A causa dell'elevata inerzia in gioco e della rigidezza costruttiva, i robot convenzionali non rispettano i requisiti di sicurezza nell'interazione fisica robot-utente. La
pericolosità di impatti indesiderati può essere mitigata ampliando numero e tipo di sensori (ad esempio, con "pelli sensorizzate" [5, 6]) e con un controllo attivo di
impedenza nell'interazione. L'assenza di sensori supplementari e le limitazioni della prontezza di risposta dei controllori digitali impongono dei limiti al problema.
Fig. 1: Il robot leggero DLR III
Fig. 2: Il robot Dexter con trasmissioni a cavi e pulegge
Gli obiettivi di sicurezza operativa dei robot antropici hanno portato a nuove generazioni di robot a bassa inerzia e con cedevolezza strutturale degli organi di
trasmissione (Whole-Arm-Manipulator (WAM) [7], DLR-lightweight robots [8]). Opportune metodologie di controllo di forza permettono l'uso di tali robot in
applicazioni con requisiti di sicurezza [9,10].
In particolare, l'introduzione di cedevolezza ai giunti diminuisce l'inerzia riflessa e percepita da un utente in caso di impatto. Il ritardo sui tempi di risposta dovuto
alle trasmissioni cedevoli può essere compensato con opportuni schemi di attuazione [11].
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Fig. 3: Lo schema di principio del DM2 di Stanford
Tale cedevolezza intrinseca (concentrata ai giunti del robot [12]) può portare ad imprecisioni di posizionamento e a vibrazioni durante il moto. Per robot con giunti
elastici, si sono ottenute prestazioni simili a quelle dei robot rigidi con l'uso di controllori che includono l'informazione sull'elasticità. Sono disponibili leggi di
controllo per compiti di regolazione [13] e asservimento a traiettoria [14], molte sviluppate da UNIROMA1. Se il robot è in contatto con l'ambiente, si può ricorrere
a schemi modificati di controllo di forza [15] o cedevolezza [16].
Nel co-progetto meccanico e di controllo detto Approccio ad Impedenza Variabile (VIA) proposto da UNIPI [17], nuovi sistemi d'attuazione possono garantire livelli
di sicurezza in caso di impatto pur mantenendo prestazioni dinamiche elevate. A tal fine si variano durante il moto i parametri che caratterizzano l'impedenza
meccanica del robot, imponendo valori elevati d'impedenza a bassa velocità e bassi a velocità elevate. Il VIA può tradursi in differenti soluzioni meccaniche, ad
esempio con configurazioni antagoniste di attuazione [18,19].
Fig. 4: Il robot SoftArm a cedevolezza variabile del Centro Piaggio
Nel caso di strutture cedevoli con doppia attuazione, il problema del controllo in feedback è ancora aperto [20]. L'idea di base è quella di definire schemi di controllo
simultaneo del moto cartesiano e della cedevolezza dei giunti (da modulare in previsione di eventuali impatti). Il compromesso è tra la sicurezza intrinseca di un
manipolatore leggero e cedevole e le prestazioni dinamiche richieste ad un robot. In tale ambito, ha interesse la pianificazione ottima di leggi orarie del moto in base
a indici di severità di impatto [21].
Mani robotiche con caratteristiche antropomorfe
L'end-effector del robot è l'organo privilegiato per l'interazione fisica con il mondo. Nei robot che operano in contatto con l'uomo, la struttura antropomorfa
dell'end-effector e le sue caratteristiche sono decisive per l'accettazione di un tale dispositivo da parte dell'utente. Un robot con una stretta di mano più "calda" e
delicata darebbe sensazioni molto più simili a quella umana.
Lo sviluppo di mani robotiche ha visto grandi progressi negli ultimi trenta anni. Dalle pionieristiche esperienze di Okada e Salisbury [22,23], attraverso progetti
celebri come la Utah Hand [24], si è giunti a realizzazioni che rappresentano lo stato dell'arte attuale, quali DLR Hand [25], GIFU Hand [26], e NASA Robonaut
Hand [27]. Tra i principali limiti si citano: ingombri e pesi tuttora elevati, grande complessità strutturale e scarsa affidabilità, ridotta dotazione sensoriale, eccessiva
rigidità della struttura e delle superfici destinate alla realizzazione dei contatti. In particolare, le mani robotiche finora realizzate non presentano in maniera
adeguata quelle superfici morbide ed adattabili che contribuiscono alla funzionalità della mano umana nella manipolazione fine e di forza [28].
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Fig. 5: Un dito con cerniere elastiche della mano UBH III
Il gruppo di ricerca di UNIBO è stato tra i primi a sviluppare mani aventi "compliance" sia locale (zone di contatto dotate di polpastrelli soffici adattabili) sia
strutturale, con articolazioni a cerniere elastiche di grande deformabilità, attuazione tendinea remota e rivestimenti superficiali di elevati spessore e viscoelasticità
[29,30]. Questa strada appare molto promettente almeno a livello prototipale [31,32].
Modellistica dinamica dell'impatto tra robot e utente umano
Sebbene siano già disponibili modelli e controllori (anche sviluppati da UNIROMA2) per robot che impattano con altre strutture meccaniche [33,34,35], la
modellistica dell'interazione uomo-robot nelle sue varie situazioni operative è un campo di ricerca ancora aperto. La simulazione di eventi di tipo impulsivo (come
quelli di impatto) sul corpo umano ed il calcolo delle risposte biomeccaniche a tali sollecitazioni hanno un ruolo fondamentale per la comprensione dei meccanismi
che portano a danni sul corpo umano. Un modello matematico del corpo umano [36,37] può essere d'ausilio per stabilire le specifiche di sicurezza nel progetto
meccanico e delle leggi di controllo dei robot. Una completa validazione sperimentale di tali modelli richiede peraltro la misura delle forze di impatto, la misura di
accelerazioni, velocità e spostamenti relativi, nonché la misura di tensioni e pressioni.
Diagnosi di guasti e riconoscimento di collisioni
Un altro aspetto riguardante la sicurezza nell'interazione fisica tra robot e utente umano è la gestione in linea dei guasti che possono avvenire a livello di sensori o
attuatori. In tale ambito, si distinguono rilevamento e isolamento del guasto [38] seguiti da una fase di controllo/supervisione in base al guasto isolato. Sulla diagnosi
dei guasti negli attuatori in robot rigidi, esistono risultati soddisfacenti in letteratura [39,40]. E' interessante notare che anche le collisioni tra robot ed utente si
possono trattare come guasti incipienti sul sistema. In assenza di sensori aggiuntivi, il riconoscimento di collisioni deve necessariamente basarsi solo sui segnali di
comando e di posizione e velocità ai giunti. Risultati preliminari per un robot rigido sono descritti in [41].
Controllo sensoriale esterocettivo del moto e dell'interazione
Nell'uso robotico, i sensori di visione e forza hanno caratteristiche tra loro complementari, i primi di tipo globale sull'ambiente che circonda il robot, i secondi locali
all'organo terminale. L'utilizzo integrato di tali due modalità sensoriali può garantire movimentazione ed interazioni sicure tra robot, ambiente e utenti umani. La
ricerca sul controllo sensoriale in questo ambito si è sviluppata in canali distinti, con molti contributi di UNINA [42]: controllo dell'interazione con sensori di forza,
in modalità d'impedenza [43] o ibrida forza/posizione [44], e controllo del moto tramite "visual servoing" [45], con tecniche "basate sulle immagini" [46], "sulla
posizione" [47] o ibride [48].
La fusione di misure di forza e visione non è semplice da tradurre in un algoritmo di controllo perchè tali grandezze eterogenee sono prive di una rappresentazione
comune [49]. Nei casi semplici, i due sensori si possono usare in modo alternativo, durante fasi diverse del compito. L'uso combinato della percezione visiva e tattile
semplifica notevolmente la transizione veloce e stabile da non-contatto a contatto [50]. Altre possibilità di combinare tali sensori si trovano negli schemi di controllo
ibrido forza/visione, come in [51] dove si utilizza il concetto di "task frame" per individuare sottospazi di controllo in forza, velocità e visione, o in quelli di controllo
di impedenza, come in [52] dove si usa un anello esterno di visual servoing ed un anello interno di impedenza con retroazione di forza. Si possono infine prevenire
contatti accidentali (con la visione) e riconoscere/gestire in sicurezza i contatti intenzionali (con sensore di forza al polso) [53].
[1] O.Khatib, K.Yokoi et al. "Robots in human environments: Basic autonomous capabilities" Int J Rob Res, 684-696, 1999
[2] G.Giralt, P.Corke (Eds), 1st IARP/IEEE Work Tech Chall Dependable Robots in Human Environments, 2001
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[5] E.Cheung, V.Lumelsky "Proximity sensing in robot manipulator motion planning: System and implementation issues" IEEE Tr Rob Aut, 740-751, 1989
[6] H.Iwata, H.Hoshino, et al "Force detectable surface covers for humanoid robots" IEEE/ASME AIM, 1205-1210, 2001
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[9] J.Heinzmann, A.Zelinsky "The safe control of human-friendly robots" IROS, 1020-1025, 1999
[10] A.Albu-Schäffer, G.Hirzinger "Cartesian compliant control strategies for light-weight, flexible joint robots" in Control Problems in Robotics, STAR 4, Springer,
2003
[11] M.Zinn, O.Khatib et al "A new actuation approach for human-friendly robot design" Int J Rob Res, 379-398, 2005
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[13] L.Zollo, A.De Luca, B.Siciliano "Regulation with on-line gravity compensation for robots with elastic joints" ICRA, 2687-2692, 2004
[14] A.De Luca, P.Lucibello "A general algorithm for dynamic feedback linearization of robots with elastic joints" ICRA, 504-510, 1998
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[17] A.Bicchi, G.Tonietti "Fast and soft arm tactics: Dealing with the safety-performance tradeoff in robot arms design and control" IEEE Rob Aut Mag, 22-33, 2004
[18] J.W.Hurst, J.Chestnutt, A.Rizzi "An actuator with mechanically adjustable series compliance" Tech Rep CMU-RI-TR-04-24, 2004
[19] A.Bicchi, G.Tonietti "Design, realization and control of a passively compliant robot for intrinsic safety" 2nd IARP/IEEE Work Tech Chall Dependable Robots in
Human Environments, 2002
[20] G.Tonietti, A.Bicchi "Adaptive simultaneous position and stiffness control for a soft robot arm" IROS, 1992-1997, 2002
[21] A.De Luca, R.Farina "Dynamic scaling of trajectories for robots with elastic joints" ICRA, 2436-2442, 2002
[22] T.Okada "Computer control of multijointed finger system for precise object handling" Int Trend Man Tech - Robot Grippers, 391-417, 1986
[23] K.S.Salisbury, B.Roth "Kinematics and force analysis of articulated mechanical hands" J Mech Tran Act Des, 105, 35-41, 1983
[24] S.C.Jacobsen et al "Design of the Utah/MIT Dexterous Hand", ICRA, 1520-1532, 1986
[25] J.Butterfass, G.Hirzinger et al "DLR's multisensory articulated hands. Part I:Hard- and Software Architecture" ICRA, 2081-2086, 1998
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[26] H.Kawasaki, H.Shimomura, Y Shimizu "Educational-industrial complex development of an anthropomorphic robot hand: Gifu Hand", Adv Rob, 357-363, 2001
[27] C.S.Lovchik, M.A.Diftler "The Robonaut Hand: A dexterous robot hand for space" ICRA, 907-912, 1999
[28] I.Kao, M.R.Cutkosky, R.S.Johansson "Robotic stiffness control and calibration as applied to human grasping tasks" IEEE Tr Rob Aut, 13(4), 1997
[29] F.Lotti, G.Vassura "A novel approach to mechanical design of articulated fingers for robotic hands" IROS, 2002
[30] L.Biagiotti, F.Lotti et al "Mechatronic design of compliant fingers for humanoid robot hands" ICRA, 2003
[31] L.Biagiotti, F.Lotti et al "UBH 3: An anthropomorphic hand with simplified endo-skeletal structure and soft continuous fingerpads", ICRA, 2004
[32] F.Lotti, P.Tiezzi et al "Development of UB Hand 3: Early results" ICRA, 2005
[33] A.Tornambé "Modelling and control of the impact in mechanical systems: Theory and experimental results" IEEE Tr Aut Con, 294-309, 1999
[34] A.Tornambé, L.Menini, S.Galeani "A parametrization of exponentially stabilizing controllers for linear mechanical systems subject to non-smooth impacts" Ann
Rev Contr, 13-21, 2004
[35] A.Tornambé. L.Menini, F.Martinella "Reconstructibility and observer design for linear mechanical systems unobservable in absence of impacts" ASME J Dyn
Sys Meas Cont, 2003
[36] C.T.Leondes "Biomechanical Systems: Techniques and Applications", vol. 1, CRC Press, 2004
[37] C.Rush "Crash testing part 2: Predicting human injury with computerized dummies" Int J Trauma Nurs, 91-94, 2000
[38] M.L.Visinsky, J.R.Cavallaro, I.D.Walker "A dynamic fault tolerance framework for remote robots" IEEE Tr Rob Aut, 477-490, 1995
[39] W.E.Dixon, I.D.Walzer et al "Fault detection for robot manipulators with parametric uncertainty: A prediction-error-based approach" IEEE Tr Rob Aut,
689-699, 2000
[40] A.De Luca, R.Mattone "Actuator failure detection and isolation using generalized momenta" ICRA, 634-639, 2003
[41] A.De Luca, R.Mattone "Sensorless collision detection and hybrid force/motion control" ICRA, 2005
[42] B.Siciliano, L.Villani, Robot Force Control, Kluwer, 1999
[43] N.Hogan "Impedance control: An approach to manipulation" ASME J Dyn Sys Meas Cont, 1-24, 1985
[44] T.Yoshikawa "Dynamic hybrid position/force control of robot manipulators - Description of hand constraints and calculation of joint driving force" IEEE J Rob
Aut, 386-392, 1987
[45] S.Hutchinson, G.D.Hager, P.I.Corke "A tutorial on visual servo control", IEEE Tr Rob Aut, 651-670, 1996
[46] B.Espiau, F.Chaumette, P. Rives "A new approach to visual servoing in robotics" IEEE Tr Rob Aut, 313-326, 1992
[47] W.J.Wilson, C.W.Hulls, G.Bell "Relative end-effector control using cartesian position based visual servoing" IEEE Tr Rob Aut, 684-696, 1996
[48] E.Malis, F.Chaumette, S.Boudet "2 1/2D visual servoing" IEEE Tr. Rob Aut, 234-246, 1999
[49] J.Baeten, J.De Schutter. Integrated Visual Servoing and Force Control. The Task Frame Approach. STAR 8, Springer, 2004
[50] B.J.Nelson, J.Morrow, P.K.Khosla "Fast stable contact transitions with a stiff manipulator using force and vision feedback" IROS, 90-95, 1995
[51] J.Baeten, H.Bruyninckx, J.De Schutter "Tool/camera configurations for eye-in-hand hybrid vision/force control" ICRA, 1704-1709, 2002
[52] G.Morel, E.Malis, S.Boudet "Impedance based combination of visual and force control" ICRA, 1743-1748, 1998
[53] D.M.Ebert, D.D.Henrich "Safe human-robot cooperation: Image-based collision detection for industrial robots" IROS, 1826-1831, 2002
Testo inglese
In the framework of anthropic robotics [1-4], we focus on the mechanical design and control of intrinsically compliant manipulators, on dextrous robot hands with
compliance, on dynamic modeling of human-robot impacts, on detection of actuator faults and link collisions, and on the use of external sensors for control of motion
and interaction force.
Intrinsically compliant robot manipulators
Conventional rigid robots do not satisfy safety requirements in anthropic environments due to their large inertia and high constructive stiffness. The inherent danger
for humans due to unexpected robot collisions is alleviated by drastically increasing sensorization (e.g., using proximity-sensitive skins [5,6]) and by using impedance
control during physical interaction. Apart from costs of additional sensing, there are intrinsic bandwidth restrictions for any digital controller so that a rigid, heavy
robot cannot behave gently and safely.
Fig. 1: Lightweight robot DLR III
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Fig. 2: Cable-driven robot Dexter
Safety considerations have brought to new generations of robots with low inertia and structural compliance (Whole-Arm Manipulator (WAM) [7] or DLR lightweight
robot series [8]). Suitable force control laws have been developed for such arms in safety-critical applications [9,10]. The introduced mechanical compliance in the
joints dynamically decouples the actuator's rotor inertia from that of the links when an impact occurs. Indeed, compliant transmissions negatively affect robot settling
times, although suitable actuation and control can compensate for this [11].
Fig. 3: The DM2 concept design of Stanford
Such an intrinsic compliance (often modeled as concentrated at the robot joints [12]) leads to inaccurate end-effector positioning and vibratory motion. For robots
with elastic joints, the design of advanced control techniques that include elastic information allows to obtain performance similar to that of rigid robots. Control
laws have been developed for regulation [13] and trajectory tracking tasks [14]. When the robot is in contact with the environment, force control [15] and Cartesian
compliance schemes [16] have been proposed.
A different mechanical/control co-design, the Variable Impedance Approach (VIA), has been introduced in [17], developing new actuation systems so as to trade off
safety for unexpected collisions with dynamic performance during free motion. This approach relies on varying the mechanical impedance of the robot actuation
subsystem "on the fly". The optimal strategy for a safe VIA mechanism imposes high impedance at low velocities and low impedance at high velocities. The general
VIA concept can be implemented by different mechanisms, e.g. by antagonistic arrangements emulating human limbs ([18,19]).
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Fig. 4: The SoftArm robot with variable impedance actuation of Centro Piaggio
For compliant robots with double actuation, feedback control is still an open problem [20]. The main idea is to control simultaneously the Cartesian motion (that
should be accurate as long as free motion occurs) and the transmission compliance (to be modulated in the anticipation of a possible collision). This leads also to the
comined problem of optimally planning minimum time motions. constrained by a maximum value of a severity index of collision [21].
Robotic hands with anthropomorphic characteristics
The end-effector is the main device through which a robot interacts with the external environment. For applications in which a physical interaction with humans
occurs, a robot end-effector that works and looks like a human hand can provide the necessary dexterity and be easily programmed or tele-operated by reproducing
movements of the human hand. Moreover, a fully anthropomorphic design can make a robot hand more friendly and more acceptable to humans (a warm and gentle
hand-shake let the users feel such machines much closer to them).
From the pioneering work of Okada and Salisbury [22,23], through the well-known Utah Hand [24], we arrived nowadays to many projects that represent the
state-of-the-art (DLR Hand [25], GIFU Hand [26], and the NASA Robonaut Hand [27]). Most available dexterous hands have still severe drawbacks: great
complexity and poor reliability, excessive size and weight, limited integrations of sensors and unsatisfactory control schemes. Moreover these hands have a low
surface compliance resulting in poor conformability of fingertips and pulps.
Instead, soft external tissues and a considerable amount of structural compliance allow adaptability and stability of the human hand grasp, enhancing its intrinsic
safety in any activity [28].
Fig. 5: A finger with elastic joints for the UBH III hand
The research group UNIBO has been among the first to explicitly address the design of robotic anthropomorphic hands with adequate structural and surface
compliance. Since 2001, novel design solutions have been proposed using compliant structures and thick compliant layers. The design has evolved towards
articulated fingers with endoskeletal structure of phalanges joined by elastic hinges made of parallel close-wound springs, with a continuous cover of thick
visco-elastic layers [29,30]. Such approach has given interesting and very promising results and prototypes [31,32].
Dynamic modeling of human-robot impacts
Although modeling and control of robots subject to impacts with other mechanical structures are well developed [33,34,35], a reliable dynamic model for general
types of physical human-robot interaction is still unavailable. Simulation of impact events between human and robot and evaluation of the associated biomechanical
response to impulsive loads play a key role in understanding the human injury mechanisms. A human body model [36,37] can provide a mathematical basis for
establishing injury criteria to be used in the mechanical and control design for dependable robots. A complete experimental validation of such a model would require
the combined measures of force, acceleration, displacement, stress, and strain to be related to impact severity.
Fault diagnosis and collision detection
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Another safety concern during physical human-robot interaction is the on-line handling faults that may affect robot actuators and/or sensors. In tackling fault
tolerance, two phases are identified [38]: a diagnostic phase, when the fault is detected and isolated (FDI), and a supervision phase, in which a fault tolerant control
is activated by the identified fault. Effective solutions are available for the FDI problem of actuators in rigid robots [39,40]. It is also interesting to note that a
collision can be seen as a particular fault acting on the robot. In the lack of extra sensors, collision detection should be based only on commanded inputs and on the
robot joint position and velocity sensors. Preliminary results on sensor-less collision detection for a rigid robot are described in [41].
Exteroceptive sensor-based control of robot motion and interaction
Vision and force are robot sensory capabilities of complementary nature for acquiring information on the external environment. The former provides global
information on the surrounding environment (e.g., for obstacle avoidance), the latter yields data local to the end-effector. Thus, vision and force can be combined so
as to yield a collision-free motion and a safe contact interaction between robot and humans. Research on sensor-based control schemes was carried out along two
distinct avenues: interaction control algorithms based on force sensing [42], such as impedance [43] or hybrid force/velocity control [44], and motion control based
on "visual servoing" [45], with "image-based" [46], "position-based" [47], or hybrid techniques [48].
Fusion of force and vision seems to be very natural, but their integration in a control algorithm is not easy because the sensed quantities have different dimensions
and no common representation [49]. In simple cases, the two sensors can be used in alternative, during different phases of the task to be performed. It has been shown
that, with the combined use of visual and touch feedback, stable and fast contact transitions can be realized easily [50]. Another possibility for a combined use is
hybrid force/vision control: the task frame concept allows a decomposition into force, velocity, and visual control subspaces [51]. In [52], a controller is given by an
outer visual servoing loop that provides the position reference to an inner impedance control loop based on force measures. Such techniques can be employed to
prevent (using vision) accidental contact with human users as well as to recognize and safely handle occurred contacts (by means of a force sensor at the robot wrist
[53].
[1] O.Khatib, K.Yokoi et al. "Robots in human environments: Basic autonomous capabilities" Int J Rob Res, 684-696, 1999
[2] G.Giralt, P.Corke (Eds), 1st IARP/IEEE Work Tech Chall Dependable Robots in Human Environments, 2001
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[46] B.Espiau, F.Chaumette, P. Rives "A new approach to visual servoing in robotics" IEEE Tr Rob Aut, 313-326, 1992
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13 - Articolazione del Progetto e tempi di realizzazione
Testo italiano
Il programma di ricerca si articola in quattro fasi che prevedono il seguente impegno finanziario complessivo:
Fase 1: Durata 6 mesi, Costo 99.000 Euro
Fase 2: Durata 6 mesi, Costo 104.000 Euro
Fase 3: Durata 6 mesi, Costo 111.000 Euro
Fase 4: Durata 6 mesi, Costo 97.000 Euro
Nelle prime due fasi sono previste acquisizioni di hardware (telecamere e organi di presa, UNINA; sensori multipli per la valutazione degli impatti, UNIROMA2;
attuatori e sensori di moto, UNIPI; componentistica per end-effector, UNIBO) e l'aggiornamento hw/sw di robot disponibili (UNIROMA1).
L'attività di ricerca è organizzata in quattro temi interagenti: MECC (meccanica), SENS (sensori), PLAN (pianificazione) e CONT (controllo), secondo le
sottotematiche illustrate nella figura seguente.
Fig. 6: Interazioni tra i temi di ricerca
I quattro temi rappresentano altrettante competenze di base necessarie al raggiungimento degli obiettivi del progetto. Le Unità partecipano ai diversi temi con
contributi illustrati nel dettaglio nei rispettivi moduli B.
I titoli locali dei progetti di ricerca delle singole Unità sono:
UNIBO: Sviluppo di una nuova generazione di end effectors robotici in grado di migliorare la sicurezza e le prestazioni nella interazione robot-utente
UNINA: Controllo in forza e visuale per l'interazione sicura tra robot e esseri umani
UNIPI: Progetto, sviluppo e controllo di meccanismi ad impedenza variabile per robot ad alte prestazioni in interazione diretta e sicura con l'uomo
UNIROMA1: Sistemi di controllo orientati alla sicurezza nel contatto fisico tra robot cedevoli ed utenti
UNIROMA2: Caratterizzazione e riconoscimento in tempo reale dell'impatto tra uomo e robot
Qui di seguito si illustrano gli aspetti essenziali delle partecipazioni delle Unità ai singoli temi, ripartite in fasi di svolgimento del progetto.
Tema: MECC
Coordinamento: UNIBO
Unità impegnate: UNIBO, UNIPI, UNIROMA2
Fase 1
- Analisi dello stato dell'arte sulle metodologie di progetto atte a garantire sicurezza e prestazioni per robot che interagiscono con operatori umani (UNIPI).
- Determinazione della struttura e delle proprietà meccaniche e biologiche del corpo umano con riferimento a sollecitazioni di tipo impulsivo e sviluppo di un
modello matematico (UNIROMA2).
- Definizione funzionale e costruttiva di cerniere elastiche ad 1 e 2 gradi di libertà per mani robotiche, con caratterizzazione dei parametri di cedevolezza primari e
secondari attraverso modellazione ed analisi numerica e sperimentale (UNIBO).
- Progetto concettuale di sistema tendineo di tipo reticolare con tendini antagonisti; modellazione del comportamento tendine-guaina in presenza di compliance di
entrambi (UNIBO).
Fase 2
- Progetto di attuatori ad impedenza variabile con prestazioni e intervallo di variazione di impedenza ottimizzati (UNIPI).
- Caratterizzazione di strutture cedevoli polpastrelli robotici (endoscheletro rigido, strato ipodermico visco-elastico, strato superficiale elastico) nel comportamento
statico (azioni normali e tangenziali) e dinamico (sollecitazioni impulsive e cicliche), con valutazione della capacità di smorzamento interno (UNIBO).
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Fase 3
- Progetto e realizzazione di prototipi di attuatori ad impedenza variabile (UNIPI).
- Progetto e realizzazione prototipale di un braccio meccanico a più gradi di libertà a impedenza variabile (UNIPI).
- Sviluppo, allestimento e caratterizzazione funzionale di un prototipo di organo di presa, secondo quanto sviluppato nelle prime due fasi: definizione progettuale,
implementazione del prototipo, definizione e sviluppo di metodologie per la valutazione della "safe interaction" (UNIBO).
Fase 4
- Validazione sperimentale dell'approccio a impedenza variabile nel garantire sicurezza e prestazioni utilizzando il robot a più gradi di libertà realizzato (UNIPI).
- Valutazione sperimentale del comportamento dell'organo di presa e dell'influenza dei parametri di cedevolezza superficiale e strutturale sulla riduzione dei rischi
nell'interazione con l'uomo (UNIBO).
Tema: SENS
Coordinamento: UNIROMA2
Unità impegnate: UNIBO, UNINA, UNIROMA2
Fase 1
- Definizione di tecniche di stima del moto di oggetti basata su misure visive per il caso di telecamere montate sull'organo terminale del manipolatore e di una
telecamera fissa ed una montata sull'organo terminale (UNINA).
Fase 2
- Estensione della tecnica di stima del moto di oggetti al caso di utilizzo di altri elementi salienti dell'immagine e al caso di conoscenza parziale del modello
(UNINA).
- Sviluppo di sensori integrati nella struttura della mano robotica: definizione concettuale, dimensionamento e implementazione prototipale dei singoli moduli
sensoriali (UNIBO).
-Validazione sperimentale del modello bio-meccanico del corpo umano sviluppato in MECC e suo impiego nella definizione di criteri/parametri di tolleranza ad
impatti (UNIROMA2).
Fase 3
- Analisi dei sistemi sensoriali proposti nella letteratura scientifica per il riconoscimento in tempo reale dell'impatto (UNIROMA2).
- Progettazione e realizzazione propotipale di sistemi sensoriali adatti al riconoscimento di impatti del robot con il corpo umano in un tempo sufficientemente breve
tale da ridurre al minimo gli effetti dell'esposizione all'impatto (UNIROMA2).
Fase 4
- Sperimentazione delle tecniche per la stima del moto di oggetti con misure visive (UNINA).
- Validazione sperimentale del prototipo del sistema sensoriale per impatti robot-operatore sviluppato in precedenza (UNIROMA2).
Tema: PLAN
Coordinamento: UNIPI
Unità impegnate: UNIPI, UNIROMA1
Fasi 1 e 2
- Estensione della pianificazione ottima di traiettorie in velocità e impedenza a meccanismi a più gradi di libertà a impedenza variabile (UNIPI).
Fase 3
- Pianificazione di leggi orarie e di traiettorie di cedevolezza ottimali rispetto ad indici di severità di urti occasionali (UNIROMA1).
Fase 4
- Integrazione dei pianificatori negli schemi di controllo di robot a cedevolezza variabile (UNIPI, UNIROMA1).
Tema: CONT
Coordinamento: UNINA
Unità impegnate: UNINA, UNIPI, UNIROMA1, UNIROMA2
Fase 1
- Aggiornamento dello stato dell'arte sul controllo con uso integrato di sensori di forza e visione, sulla modellistica e controllo di sistemi robotici con cedevolezza
variabile, e sugli algoritmi di diagnosi dei guasti nei sistemi meccanici nonlineari (UNINA, UNIROMA1).
- Definizione di tecniche di controllo per manipolatori con giunti elastici che garantiscano cedevolezza attiva, basate su misure di forza (UNINA).
Fase 2
- Definizione di tecniche per il controllo del moto di robot con giunti elastici con assorbimento di urti e per il controllo simultaneo di moto/cedevolezza (UNIPI,
UNIROMA1).
- Estensione delle tecniche di diagnosi di guasti al rilevamento, in assenza di sensorizzazione supplementare, di urti del manipolatore in punti generici della struttura
(UNIROMA1).
- Definizione di tecniche di "visual servoing" basate sulla posizione e di tecniche ibride (UNINA).
Fase 3
- Integrazione delle tecniche di rilevamento di urti con quelle di controllo del moto (e della cedevolezza) del robot, per il recupero di configurazioni di sicurezza
(UNIROMA1).
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- Metodi algoritmici per il riconoscimento automatico di guasti dei sensori propriocettivi di robot (UNIROMA1).
- Definizione di architetture di controllo multi-livello e di tecniche con uso integrato di forza e visione basate sul controllo parallelo o di impedenza, in particolare
per robot con giunti elastici (UNINA).
Fase 4
- Validazione sperimentale degli algoritmi di diagnosi di guasti, degli schemi di riconoscimento di collisione e del relativo controllo orientato alla sicurezza sui robot
disponibili presso le Unità (UNINA, UNIROMA1, UNIROMA2).
- Sperimentazione degli algoritmi di "visual servoing" e di controllo dell'interazione con uso integrato di forza e visione (UNINA).
- Validazione sperimentale del controllo simultaneo di moto/cedevolezza su un prototipo di robot VIA (UNIPI, UNIROMA1).
Testo inglese
The research program is implemented according to four temporal phases, each with the following duration and total cost:
Phase 1: Duration 6 months, Cost 99.000 Euro
Phase 2: Duration 6 months, Cost 104.000 Euro
Phase 3: Duration 6 months, Cost 111.000 Euro
Phase 4: Duration 6 months, Cost 97.000 Euro
During the first two phases, some hardware will be acquired (cameras and gripping units, UNINA; multiple sensors for evaluation of impact phenomena,
UNIROMA2; actuators and motion sensors, UNIPI; components for smart end-effectors, UNIBO) or there will be an hw/sw update of existing robot devices
(UNIROMA1).
The research activities are organized in four interacting work packages: MECC (mechanics), SENS (sensing), PLAN (planning), and CONT (control). These include
connecting research topics, as shown in the following picture.
Fig. 6: Interaction among work packages
Each work package represents a basic competence needed to reach the goal of a safe physical human-robot interaction. The research Units will contribute to different
work packages, as described in detail in their B forms.
The titles of the local research activities performed by the single Units are:
UNIBO: Development of a new generation of robotic end-effectors for enhanced safety in human-robot interaction
UNINA: Force and visual control for safe human-robot interaction
UNIPI: Design, realization and control of variable impedance mechanisms for high-performance and safe physical human-robot interaction
UNIROMA1: Safe-oriented control systems for tasks involving physical contact between humans and compliant robots
UNIROMA2: Characterization and real-time recognition of the human-robot impact
Hereafter, we summarize the participation and scientific contribution of each Unit to the four work packages of the research program, divided into temporal phases.
Work package: MECC
Coordination: UNIBO
Units involved: UNIBO, UNIPI, UNIROMA2
Phase 1
- Analysis of the state-of-art focused to both control and design methodologies conceived to guarantee safety and performance during physical Human-Robot
Interaction tasks (UNIPI).
- Determination of structure and properties of the human body regarded as a biomechanical system subject to impulsive inputs and associated mathematical modeling
(UNIROMA2).
- Design of elastic hinges with one and two degrees of freedom for dexterous robotic hands, with special emphasis on characterization of compliance parameters by
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means of numerical and experimental analysis (UNIBO).
- Conceptual design of a tendon system with a net of antagonistic tendons; modeling of static and dynamic behavior of the tendon-sheath system in presence of
compliance of both elements (UNIBO).
Phase 2
- Analytical study concerning the design of compact variable impedance actuators, optimizing both performance and allowed range of impedance variation (UNIPI).
- Investigation of alternative structures for soft robotic fingertips and pads (composed of an internal rigid core, a hypodermal intermediate layer, and an external skin
layer) in terms of static behavior (under normal/tangential loads) and dynamic behavior under impulsive or cyclic loads (tests of conformability and shape recovery),
with determination of their internal damping capacity (UNIBO).
Phase 3
- Design and realization of prototypes of Variable Impedance Actuators (UNIPI).
- Design and realization of an n-degrees-of-freedom variable impedance robot arm (UNIPI).
- Development and functional characterization of a compliant hand prototype integrating the results of the first two phases: design and prototype implementation,
development of methods for evaluation of performance and safety in interaction (UNIBO).
Phase 4
- Experimental validation of the safety and performance characteristics of the n-degrees-of-freedom robot arm realized in the phase [Ph3b] during pHRI tasks
(UNIPI).
- Experimental evaluation of the robotic hand, with special emphasis on grasping and manipulation capability and on safety in human interaction as a consequence of
its compliance (UNIBO).
Work package: SENS
Coordination: UNIROMA2
Units involved: UNIBO, UNINA, UNIROMA2
Phase 1
- Definition of techniques for the estimation of the object motion using cameras mounted on the end-effector or one camera mounted on the end effector and one fixed
camera (UNINA).
Phase 2
- Extension of the motion estimation technique to the case of use of different image features and to the case of partial knowledge of the object motion (UNINA).
- Development of sensors integrated into the hand structure: conceptual and embodiment design, prototype set up, and testing (UNIBO).
- Experimental validation of the bio-mechanical model of the human body (developed in MECC), and its use for the definition of tolerance criteria to impact exposure
(UNIROMA2).
Phase 3
- Analysis of the sensor systems proposed in the literature for the real-time impact detection of a robot with a human body (UNIROMA2).
- Design and realization of prototype sensor systems for robot-human impact detection in a time sufficiently short to reduce at minimum the effects of impact exposure
(UNIROMA2).
Phase 4
- Experimental validation of the estimation techniques of the object motion based on visual measurements (UNINA).
- Experimental validation of the previously developed sensor system prototype for robot-human impact detection (UNIROMA2).
Work package: PLAN
Coordination: UNIPI
Units involved: UNIPI, UNIROMA1
Phases 1 and 2
- Extension of the optimal control planning of trajectories in both velocity and impedance to variable impedance n-degrees-of-freedom robot arms (UNIPI).
Phase 3
- Optimal planning of motion timing laws and of variable robot compliance with respect to severity indices of potential collisions (UNIROMA1).
Phase 4
- Integration of the motion/impedance trajectory planners in control schemes for robots with variable impedance (UNIPI, UNIROMA1).
Work package: CONT
Coordination: UNINA
Units involved: UNINA, UNIPI, UNIROMA1, UNIROMA2
Phase 1
- Update of the state of the art on control of robots with integration of force and vision, on modeling and control of robotic devices with variable
actuation/transmission compliance, and on methods for fault diagnosis in nonlinear mechanical systems (UNINA, UNIROMA1).
- Design of control techniques for manipulators with elastic joints that guarantee active compliance using force measurements (UNINA).
Phase 2
- Design of control techniques for robots having elastic joints with collision absorption capabilities, and for the simultaneous motion/compliance robot control
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(UNIPI, UNIROMA1).
- Extension of robot fault diagnosis techniques to the sensorless detection and localization of robot collisions at generic link points (UNIROMA1).
- Design of position-based and hybrid visual servoing techniques (UNINA).
Phase 3
- Integration of robot collision detection schemes within feedback controllers for robot motion and for simultaneous motion/compliance control, aimed at recovering a
safe manipulator configuration (UNIROMA1).
- Nonlinear methods for detection and isolation of faults in sensors measuring the internal state of a robotic system (UNIROMA1).
- Design of a multi-layer control architecture and of control laws integrating force and vision based on parallel control and on impedance control, with special
emphasis on robots with elastic joints (UNINA).
Phase 4
- Experimental validation of fault diagnosis techniques, collision detection schemes, and of safety-oriented control laws on the robots available at the various Units of
SICURA (UNINA, UNIROMA1, UNIROMA2).
- Experimentation of visual servoing and of control algorithms with force and vision integration during human-robot interaction (UNINA).
- Experimental validation of simultaneous motion/compliance control laws on the developed VIA prototype arm (UNIPI, UNIROMA1).
14 - Ruolo di ciascuna unità operativa in funzione degli obiettivi previsti e relative modalità di
integrazione e collaborazione
Testo italiano
Unità I
UNIROMA1 lavorerà sui temi CONT e PLAN. La ricerca si articola in quattro attività principali, tre delle quali corrispondenti ad altrettante tipologie di
manipolatori intrinsecamente cedevoli, a loro volta suddivise in sottoattività. Per il dettaglio si veda il modello B dell'Unità.
A1: ROBOT INTRINSECAMENTE CEDEVOLI DI CLASSE I (robot con trasmissioni cedevoli o "giunti elastici" di valore prefissato e singola attuazione per ogni
grado di libertà rigido)
A1.1: Pianificazione di leggi orarie da fermo a fermo su cammino geometrico assegnato, con limitato (o minimo) indice di severità di urto, definiti in collaborazione
con le Unità di UNIROMA2 e UNIPI
A1.2: Sviluppo di leggi di controllo che garantiscano, in concorrenza alla cedevolezza meccanica intrinseca, un maggiore assorbimento dell'effetto di urti all'interno
delle trasmissioni.
A2.3: Definizione di uno schema di supervisione che integri il rilevamento di urti con procedure di riconfigurazione del controllore e del compito.
A2: ROBOT INTRINSECAMENTE CEDEVOLI DI CLASSE II (robot con trasmissioni cedevoli prefissate e doppia attuazione per ogni grado di libertà).
A2.1: Modellistica dinamica e valutazione di tecniche di controllo del moto in presenza di attuazione doppia (macro/micro).
A3: ROBOT INTRINSECAMENTE CEDEVOLI DI CLASSE III (robot con cedevolezza di attuazione/trasmissione variabile in linea)
A3.1: Tecniche di controllo simultaneo moto/cedevolezza per garantire prestazioni di accuratezza del moto dell'organo terminale in condizioni di assenza di
collisioni.
A3.2: Schemi di modifica in linea della cedevolezza delle trasmissioni, in base ad indici di severità di un possibile urto.
A3.3: Tecniche di controllo simultaneo per ottenere un disaccoppiamento, nel sistema ad anello chiuso, della dinamica di correzione della cedevolezza da quella di
correzione dell'errore di traiettoria.
A4: RILEVAMENTO IN LINEA E LOCALIZZAZIONE DI URTI
A4.1: Tecniche per il rilevamento dell'urto, con tempi di risposta compatibili con il controllore del moto, basate sulle sole misure di posizione ai giunti e sui comandi
nominali di controllo.
A4.2: Localizzazione della zona approssimativa dell'urto e di un campo di possibili intensità effettive.
A4.3: Definizione di una strategia di controllo che riporti il robot in condizioni di sicurezza, in base alle informazioni dei residui diagnostici ed attivata dal
riconoscimento dell'urto.
Unità II
UNIBO lavorerà sui temi MECC e SENS. La ricerca si articola in cinque attività principali. Per il dettaglio si veda il modello B dell'Unità.
A1: ARTICOLAZIONI CEDEVOLI
Definizione morfologica, ottimizzazione strutturale e caratterizzazione funzionale di cerniere elastiche idonee al raggiungimento di adeguata compliance selettiva,
cioè capaci di offrire i rapporti desiderati tra le rigidezze rispetto ai diversi piani di sollecitazione.
A2: TENDINI
Sviluppo, modellazione e validazione sperimentale di sistemi tendinei compatibili con strutture articolate di tipo endoscheletrico a giunti elastici.
A3: POLPASTRELLI SOFFICI
Caratterizzazione di materiali e strutture per la realizzazione degli strati soffici di rivestimento della mano.
A4: SENSORI INTERNI
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Sviluppo di sensori per il rilevamento degli stati locali di contrazione tendinea e di deformazione del giunto.
A5: PROTOTIPO DI MANO SOFFICE
Implementazione prototipale della parte meccanica e sensoriale di una mano antropomorfa a cinque dita, dotata di struttura endoscheletrica e di cedevolezza
superficiale, e sua caratterizzazione meccanica attraverso una serie di prove sperimentali di tipo statico e dinamico.
Unità III
UNINA lavorerà sui temi CONT e SENS. La ricerca si articola in sei attività principali. Per il dettaglio si veda il modello B dell'Unità.
A1: STIMA DEL MOTO DI OGGETTI CON UTILIZZO DI MISURE VISIVE
Sviluppo di tecniche di adattamento dei parametri statistici di un filtro di Kalman nella stima del moto di oggetti da immagini acquisite con telecamera fisse (e/o
sull'end-effector), per la compensazione di errori di modello e disturbi legati a variazioni delle condizioni di illuminazione.
A2: TECNICHE DI "VISUAL SERVOING"
Sintesi di schemi di controllo "basati sulla posizione", mediante uso dell'algoritmo di stima del moto di oggetti, e di schemi ibrido innovativi.
A3: INTEGRAZIONE DI "VISUAL SERVOING" E CONTROLLO DI FORZA
Sviluppo di un approccio ispirato al controllo parallelo di forza/posizione, in cui forza e visione vengano utilizzate contemporaneamente lungo tutte le direzioni del
compito robotico.
A4: ARCHITETTURA HW/SW PER IL CONTROLLO DI ROBOT DOTATI DI SENSORI DI FORZA E VISIONE
Sviluppo di un'architettura hardware/software con funzionalità di controllo basate sia su misure di sensori di tipo propriocettivo (posizione e velocità di giunto) che
su misure provenienti da sensori di tipo esterocettivo (forza, visione).
A5: STRATEGIE DI CONTROLLO DELL'INTERAZIONE
Confronto sperimentale tra tecniche tradizionali di controllo dell'interazione basate su sole misure di forza e quelle sviluppate nel progetto, basate sulla percezione
visiva.
A6: INTERAZIONE SICURA
Controllo di cedevolezza cartesiana per robot con giunti elastici, con aumento attivo della cedevolezza di tali robot realizzata mediante algoritmi di controllo con
misure di forza.
Unità IV
UNIPI lavorerà sui temi MECC, PLAN e CONT e la ricerca è articolata in tre attività conseguenti. Per il dettaglio si veda il modello B dell'Unità.
A1: MECCANISMI INTRINSECAMENTE SICURI
Progetto e realizzazione di attuatori compatti con impedenza meccanica variabile che garantiscano ampi intervalli di variazione di impedenza, ottimizzando allo
stesso tempo la velocità di funzionamento e l'efficienza energetica ed economica.
A2: PIANIFICAZIONE OTTIMA DEL MOTO
Estensione della pianificazione ottima di traiettorie di velocità e di impedenza meccanica da un grado di libertà a bracci robotici a più gradi di libertà, con algoritmi
di calcolo in linea.
A3: CONTROLLO SICURO AD ALTE PRESTAZIONI
Estensione delle tecniche di controllo di forza e impedenza per robot cedevoli alla classe di robot antropici ad impedenza variabile, anche in presenza di incertezza
nei parametri.
Unità V
UNIROMA2 lavorerà sui temi MECC, SENS e CONT. La ricerca si articola in tre attività principali, suddivise a loro volta. Per il dettaglio si veda il modello B
dell'Unità.
A1: MODELLISTICA DELL'IMPATTO UOMO-ROBOT
A1.1: Determinazione della struttura e delle proprietà del corpo umano considerato come un sistema sia meccanico che biologico.
A1.2: Sviluppo di un modello matematico per tale sistema, da utilizzarsi per il calcolo degli effetti sul corpo umano di possibili impatti tra il robot e il corpo umano
stesso.
A2: CRITERI DI TOLLERANZA AGLI URTI
A2.1: Definizione di criteri di tolleranza del corpo umano ad impatti, da utilizzarsi nella progettazione della struttura meccanica del robot e per il suo controllo.
A3: SENSORI E CONTROLLO NELL'IMPATTO
A3.1: Progetto di sistemi sensoriali adatti per il riconoscimento di impatti tra robot e corpo umano che non soddisfino i precedenti criteri, in un tempo
sufficientemente breve allo scopo di ridurre al minimo gli effetti dell'esposizione di impatto.
A3.2: Progetto di leggi di controllo che abbiano come primo obiettivo la sicurezza dell'utente, compatibilmente con i compiti assegnati al robot e con particolare
riferimento alla fase di post-impatto.
Testo inglese
Unit I
UNIROMA1 will work on the work packages CONT and PLAN. The local research program is organized around four main activities, three of which corresponding
each to a class of intrinsically compliant manipulators. For further details, please refer to the B form of this Unit.
A1: INTRINSICALLY COMPLIANT ROBOTS OF CLASS I (robots with compliant transmissions or with "elastic joints" of fixed stiffness and single actuation for
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each rigid degree of freedom)
A1.1: Planning of rest-to-rest timing laws along a given geometric path, with limited (optimal) index of collision severity, as defined in cooperation with the
UNIROMA2 and UNIPI Units.
A1.2: Design of feedback control laws that guarantee, by exploiting the intrinsic mechanical compliance, a maximal absorption of collision effects within the motion
transmissions.
A1.3: Definition of a supervisory scheme that combines the collision detection process with a reconfiguration of the task objective and of the feedback control law.
A2: INTRINSICALLY COMPLIANT ROBOTS OF CLASS II (robots with compliant transmissions of fixed stiffness and double actuation for each rigid degree of
freedom).
A2.1: Dynamic modeling and design of control laws in the presence of double actuation of the macro/micro type.
A3: INTRINSICALLY COMPLIANT ROBOTS OF CLASS III (robots with variable and tunable actuation/transmission compliance)
A3.1: Simultaneous feedback control of motion/compliance that guarantee maximal accuracy on the end-effector motion in the absence of collisions.
A3.2: Schemes for on-line modification of transmission compliance, based on a number of collision severity indices.
A3.3: Simultaneous feedback control of motion/compliance yielding a closed-loop dynamic decoupling between the compliance correction and trajectory error
correction channels.
A4: ON-LINE DETECTION AND LOCALIZATION OF COLLISIONS
A4.1: Schemes with collision detection capabilities having response times compatible with the motion controller requirements, using only the motor encoders and the
commanded control torques.
A4.2: Approximate localization of the collision area, with an estimate of the actual contact force intensity.
A4.3: Definition of a control strategy for recovering a safety condition for the human-robot interaction, based on the processing of diagnostic residuals and triggered
by the collision detection phase
Unit II
UNIBO will work on the work packages MECC and SENS. The local research program is organized around five main activities. For further details, please refer to
the B form of this Unit.
A1: COMPLIANT JOINTS
Definition of new hinge morphology, structural characterization and optimization, evaluation of selectivity of the achievable compliance.
A2: TENDON SYSTEM
Design, modeling, and experimental validation of a tendon system suitable for use on articulated fingers made of elements connected by elastic hinges.
A3: SOFT PADS
Characterization of materials and structures for soft pads that should provide local compliance on the surface of the hand.
A4: INTEGRATED SENSORS
Development of miniaturized, integrated sensors for measurement of tendon contraction and joint displacement.
A5: HAND PROTOTYPE
Design, set-up, and experimentation of an updated prototype of a robotic multi-fingered hand adopting the previously described technical solutions, aiming at the
explicit demonstration of the benefits that structural and surface compliance can offer both in terms of performance and enhanced intrinsic safety.
Unit III
UNINA will work on the work packages CONT and SENS. The local research program is organized in six main activities. For further details, please refer to the B
form of this Unit.
A1: OBJECT MOTION ESTIMATION USING VISUAL MEASUREMENTS
Development of adaptation techniques for the statistical parameters of an Extended Kalman Filter for the estimation of the motion of objects using fixed (and/or
on-board) cameras, in the presence of modeling errors and disturbances due, e.g., to the variation of the illumination condition.
A2: VISUAL SERVOING TECHNIQUES
Design of "position based" visual servoing control schemes based on the algorithm for the estimation of the object motion and using different cameras configurations.
A3: INTEGRATION OF VISUAL SERVOING AND FORCE CONTROL
Development of a new approach inspired by parallel force/position control, where force and vision are used along all task directions.
A4: HW/SW ARCHITECTURE FOR ROBOT CONTROL WITH FORCE AND VISUAL SENSORS
Design of a hardware/software architecture with control functionalities based on both proprioceptive sensors (joint position, joint velocity) and exteroceptive sensors
(force, vision).
A5: INTERACTION CONTROL STRATEGIES
Experimental comparison between traditional interaction control techniques based on force measurements and those developed within the project, based on visual
information.
A6: SAFE INTERACTION
Cartesian compliance control schemes for robots with elastic joints, augmenting the passive compliance of such robots by adding a cartesian active compliance
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provided by force control algorithms.
Unit IV
UNIPI will work on the work packages MECC, PLAN, and CONT, with the local research program organized accordingly in three activities. For further details,
please refer to the B form of this Unit.
A1: INTRINSICALLY SAFE MECHANISMS
Design and realization of compact mechatronic actuators with mechanical impedance allowed to experience a large
range of variations, optimizing their velocity and their energetic and economic efficiency.
A2: OPTIMAL TRAJECTORY PLANNING
Generalization of the Safe Brachistochrone planning from one to n-degrees-of-freedom to find optimal impedance and velocity profiles, with sub-optimal on line
algorithmic solutions.
A3: HIGH-PERFORMANCE SAFE CONTROL
State-of-the-art control algorithms (such as techniques for arms with compliant joints, and impedance control) will be characterized and rethought in the framework
of independent control of positions and impedance for variable impedance robots, including in particular adaptive techniques to handle uncertain dynamic
parameter.
Unit V
UNIROMA2 will work on the work packages MECC, SENS, and CONT. The local research program is organized in three main activities. For further details, please
refer to the B form of this Unit.
A1: MODELING OF HUMAN-ROBOT IMPACTS
A1.1: Determination of the structure and properties of the human body regarded as a mechanical as well as a biological system.
A1.2: Derivation of a mathematical model of such a system for computing the effects of possible impacts of a robot on the human body.
A2: TOLERANCE CRITERIA TO IMPACTS
A2.1: Definition of tolerance criteria for impact exposure of the human body, to be taken into account in the design
of the mechanical robot structure and for its control.
A3: SENSORS AND CONTROL DURING IMPACTS
A3.1: Design of suitable sensory systems for robot-human impact detection in a sufficiently short time so as to minimize the effects of impact exposure.
A3.2: Design of control laws with the aim of preserving human safety while executing the assigned robot task, with particular attention to the post-impact phase.
15 - Risultati attesi dalla ricerca, il loro interesse per l'avanzamento della conoscenza e le eventuali
potenzialità applicative
Testo italiano
I risultati attesi dalla ricerca sono elencati qui di seguito:
1) La realizzazione di un prototipo di mano robotica soffice, con articolazioni cedevoli, tendini e polpastrelli cedevoli.
2) La realizzazione di un prototipo di manipolatore sicuro, basato su attuatori innovativi a cedevolezza variabile con più gradi di libertà.
3) La definizione e validazione di modelli matematici di diverse tipologie di urto tra robot e utenti umani.
4) Lo sviluppo e implementazione di tecniche di pianificazione e controllo del moto per manipolatori intrinsecamente cedevoli.
5) Metodi per il rilevamento rapido di collisioni, in assenza di sensorizzazione aggiuntiva, con associate strategie di reazione che allontanano automaticamente il
manipolatore dall'area di urto.
6) La definizione e messa a punto sperimentale di schemi di controllo sensoriale forza-visione per l'interazione con l'ambiente.
L'integrazione di una o più delle suddette tecniche in dispositivi robotici esistenti o sviluppati nel progetto rappresenterà uno degli obiettivi più importanti del
progetto, passo indispensabile per la trasformazione dei risultati di SICURA in prodotti commerciali in un prossimo futuro.
Ai fini dell'avanzamento della conoscenza, è rilevante anche la prevista organizzazione di sessioni ad invito sulla robotica antropica in convegni internazionali e
nazionali, dove diffondere i risultati del progetto in particolare ai giovani ricercatori e ai potenziali utenti applicativi. Tra questi si possono includere, ad esempio:
- enti e organi deputati alla certificazione di sicurezza dei robot in ambienti non industriali;
- produttori di robot interessati ad aumentare la funzionalità dei loro manipolatori in condizioni non strutturate dove collisioni accidentali con utenti e/o con oggetti
nell'ambiente non si possono escludere;
- gli sviluppatori di robot umanoidi, nei quali l'integrazione di una mano cedevole come end-effector rende più naturale l'esecuzione di compiti di interazione fisica
con l'uomo.
Testo inglese
The main expected results of this research project are listed in the following:
1) Realization of a prototype of a soft robotic hand, with flexible hinges, tendons, and compliant pads.
2) Realization of a prototype of a safe multi-dof manipulator, based on the variable impedance approach.
3) Definition and experimental validation of a mathematical model of the robot-human impact exposure.
MUR - BANDO 2007 - MODELLO A
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Ministero dell ,Università e della Ricerca
4) Design and implementation of trajectory planning and control techniques for intrinsically compliant manipulators.
5) Sensorless methods for the fast detection of human-robot collisions, with robot reaction strategies guaranteeing safety in the post-impact phase.
6) Design and implementation of force/vision hybrid or parallel control schemes for a safe interaction with the environment.
One further objective will be the integration of some of the above technical results in an existing robotic device, or in one developed within the project, so as to
accomplish the first step toward the transfer of scientific results of SICURA into commercial products in the near future.
For the general advancement and dissemination of knowledge, the planned organization of invited sessions on anthropic robotics in national and international
conferences will play also a major role. Apart from young researchers, the project would aim to reach and benefit to potential users such as:
- institutions assessing safety standards for robots in non-industrial environments;
- robot producers interested in enhancing the functional capabilities of their manipulators in conditions where robot collisions with users or with environmental
objects cannot be excluded;
- developers of humanoid robots interested in the use of soft compliant hands for a safe and natural execution of strict collaborative and interacting tasks with
humans.
16 - Elementi e criteri proposti per la verifica dei risultati raggiunti
Testo italiano
La valutazione del progetto può essere fatta preventivamente sul programma di ricerca illustrato oppure "in itinere"/"ex post" sui risultati intermedi e finali raggiunti
con l'attività di ricerca svolta. Si ritiene che si debbano fornire criteri di valutazione riferiti ad entrambe le ipotesi.
Criteri di valutazione preventiva del programma
La valutazione preventiva dovrà riguardare:
- La qualità e la quantità degli apporti dati dai proponenti alla ricerca scientifica nel settore internazionale della robotica così come si evince dai riferimenti riportati
e dalla letteratura tecnica nota a chi giudica il programma.
- Il grado di omogeneità che si può evidenziare nelle conoscenze disciplinari, negli interessi scientifico-tecnici e negli intenti generali dei proponenti.
- Le prospettive di accrescimento della conoscenza sia accademica sia tecnico-applicativa frutto delle interazioni e collaborazioni previste tra i proponenti.
- Le prospettive di ampliamento e completamento dei laboratori universitari implicati e di potenziamento in termini di qualità e quantità delle attività sperimentali
connesse alla ricerca. In questo quadro sono da valutare altresì le ricadute sulla didattica.
- Il confronto con i progetti noti ed operanti in campo internazionale.
Criteri per la valutazione "in itinere" o "ex post" dei risultati
Si tratta in generale di valutare i risultati indicati nel programma al termine di ciascuna fase ricorrendo agli strumenti che seguono:
- Esame delle pubblicazioni scientifiche, del loro contenuto e della sede di pubblicazione.
- Verifica della struttura informatica di rete e della disponibilità dei rapporti di progetto, in formato elettronico, con il resoconto dei risultati conseguiti.
- Valutazione della qualità e della significatività delle sperimentazioni che saranno condotte sia dalle singole Unità, autonomamente, sia da gruppi appartenenti a più
Unità.
- Verifica dell'organizzazione degli incontri scientifici previsti dal programma e riscontro dei risultati in tali sedi riportati.
- Valutazione degli aspetti relativi al trasferimento della innovazione in ambienti non accademici o di ricerca.
Testo inglese
Evaluation of the quality of the project proposal can be made in advance, based on the program of activities, as well as at milestones and/or at the end of the project,
based on the intermediate and final scientific results obtained. In the following, some relevant criteria are given for both options.
Criteria for the advance evaluation of the research project
Evaluation of this proposal should be based on:
- Quality and number of previous scientific results produced by the proposers in the international robotics setting, as shown by the included bibliographic references
and from further technical knowledge of the evaluators.
- Project coherence and partner competences as witnessed by the scientific content and general organization of the proposal.
- Enhancement factor in the advancement of knowledge due to the scientific interactions among partners during the execution of this research.
- Growth perspectives for the university laboratories involved in the project, both in terms of equipments and knowledge gained through experimental research
activities that would be performed if the project is financed. Also, potential benefits to the quality of teaching activities should be of interest.
- Comparison with known existing scientific projects in related areas at the international level.
Evaluation criteria of intermediate and final results of the project
The advancement of the project can be evaluated through its achievements and congruence with the expected results listed at the end of each phase of the research
(every six months). This can be done by evaluating:
- The scientific publications of the project, their contents, number, and publication venue.
- The project web site, where the technical deliverables would be made available while the project is progressing toward its goals.
- The quality and significance of the experimental devices, prototypes, and systems developed by each research unit autonomously and in cooperation with the other
partners.
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Ministero dell ,Università e della Ricerca
- The organization of meetings, conference sessions, and other scientific events, as planned in the program, with the overall impact of the results presented therein.
- The technology transfer activities performed during and at the end of the project, intended for disseminating novel scientific results to the industry, to other research
institutions, and in general to the society.
17 - Mesi persona complessivi dedicati al Progetto di Ricerca
Numero
Impegno
1° anno
Impegno
2° anno
Totale
mesi
persona
Componenti della sede dell'Unità di Ricerca
Componenti di altre Università /Enti vigilati
Titolari di assegni di ricerca
Titolari di borse
Dottorato
Post-dottorato
Scuola di Specializzazione
Personale a contratto
Assegnisti
Borsisti
Altre tipologie
Dottorati a carico del PRIN da destinare a questo specifico progetto
Altro personale
11
0
2
7
1
0
2
1
0
0
4
69
0
17
27
2
69
0
17
24
2
138
0
34
51
4
18
5
18
5
36
10
0
13
0
12
0
25
TOTALE
28
151
147
298
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Ministero dell ,Università e della Ricerca
18 - Costo complessivo del Progetto articolato per voci
Voce di spesa
Unità
I
Unità
II
Unità
III
Unità
IV
Unità
V
TOTALE
30.000
7.000
25.000
40.000
20.000
122.000
0
0
0
0
0
0
Materiale di consumo e funzionamento
14.000
32.000
11.000
4.000
10.000
71.000
Spese per calcolo ed elaborazione dati
2.000
0
2.000
0
0
4.000
Personale a contratto
0
38.000
0
24.000
20.000
82.000
Dottorati a carico del PRIN da destinare a questo
specifico progetto
0
0
0
0
0
0
Servizi esterni
0
0
2.000
0
2.000
4.000
28.000
6.000
33.000
12.000
20.000
99.000
Pubblicazioni
4.000
0
2.000
0
1.000
7.000
Partecipazione / Organizzazione convegni
5.000
2.000
5.000
5.000
1.000
18.000
Altro
2.000
0
0
0
1.000
3.000
80.000 85.000 75.000
410.000
Materiale inventariabile
Grandi Attrezzature
Missioni
TOTALE
85.000 85.000
19 - Prospetto finanziario suddiviso per Unità di Ricerca
Unità
I
Unità
II
Unità
III
Unità
IV
Unità
V
TOTALE
25.500
0
18.400
25.500
17.300
86.700
a.2) finanziamenti diretti acquisibili con certezza da parte
di Università/Enti vigilati di appartenenza dei ricercatori
dell'unità operativa
0
25.500
5.600
0
5.200
36.300
b.1) finanziamenti diretti disponibili messi a disposizione
da parte di soggetti esterni
0
0
0
0
0
0
b.2) finanziamenti diretti acquisibili con certezza, messi a
disposizione da parte di soggetti esterni
0
0
0
0
0
0
59.500
59.500
56.000
59.500
52.500
287.000
85.000 85.000 80.000 85.000 75.000
410.000
a.1) finanziamenti diretti, disponibili da parte di
Università/Enti vigilati di appartenenza dei ricercatori
dell'unità operativa
c) cofinanziamento richiesto al MUR
TOTALE
(per la copia da depositare presso l'Ateneo e per l'assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i programmi
finanziati e la loro elaborazione necessaria alle valutazioni; D. Lgs, 196 del 30.6.2003 sulla "Tutela dei dati personali")
Firma _____________________________________
MUR - BANDO 2007 - MODELLO A
Data 30/10/2007 ore 16:29
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