La mia attività di ricerca è rivolta allo studio di diverse
problematiche riguardanti lo sviluppo di robot e dei loro sistemi
di controllo.
In particolare ho studiato il progetto meccatronico, ovvero sia
delle parti meccaniche,
elettroniche e di controllo e dei legami fra queste componenti,
necessarie per la realizza-
zione di mani robotiche articolate. In questo ambito, ho studiato
approfonditamente i
sistemi di attuazione basati su tendini, di cui le mani robotiche
realizzate, grazie anche al
mio contributo, fanno uso. Un'altra importante tematica della mia
ricerca ha riguardato
lo studio di sistemi di attuazione a rigidezza variabile, ed in
particolare delle implicazioni
dovute al loro utilizzo nei manipolatori robotici per migliorarne
le prestazioni in termini
di sicurezza durante l'interazione con l'uomo. Infine, lo studio
dei sistemi operativi real
time ha rappresentato un filone di ricerca trasversale ai
precedenti che ha permesso lo
sviluppo di strumenti utili sia per la didattica nel settore dei
controlli automatici, sia
come elementi di base per il controllo dei dispositivi robotici
realizzati.
- Sviluppo di mani robotiche antropomorfe
Già da alcuni decenni, in diversi centri di ricerca in tutto il
mondo, sono state studiate
e sviluppate mani robotiche antropomorfe. Le motivazioni di questo
interesse sono da
ricercarsi nel tentativo di dotare i manipolatori robotici di
end-effector dalla elevata
versatilità e destrezza, in grado di poter interagire efficacemente
con l'ambiente e manipolare oggetti creati per essere utilizzati
dall'uomo. Questo per superare le limitazioni
delle applicazioni tradizionali dei robot, in cui l'end-effector
viene progettato in modo
da essere semplice o per assorvere un particolare e ben determinato
compito all'interno
di un ambiente conosciuto, fatto che limita fortemente la
possibilit` di adattare il robot
allo svolgimento di compiti molto differenti fra di loro ed in
ambienti non preconosciuti.
I fattori comuni a tutte le mani robotiche antropomorfe finora
sviluppate sono l'elevata complessità sia meccanica che
elettronica, l'elevato costo, la scarsa affidabilità e le notevoli
difficoltà di controllo, fattori che hanno impedito a questi
dispositivi di uscire
dai laboratori di ricerca e di essere impiegati con successo in
compiti di manipolazione
utili per le attivit` produttive e domestiche dell'uomo.
Allo scopo di semplificare la struttura, aumentarne l'affidabilità
e limitarne il costo
di questi dispositivi, ho partecipato allo sviluppo, nell'ambito
del progetto UB Hand 3
(University of Bologna Hand, versione 3), di una mano robotica del
tutto
simile alla mano umana, costituita da una struttura continua in cui
elementi rigidi,
che costituiscono le falangi, sono uniti da parti flessibili, i
giunti, che ne permettono il
movimento relativo delle parti. In particolare mi sono occupato
dello studio del sistema
di controllo e di attuazione, quest'ultimo basato su tendini
guidati dall'attuatore fino
al giunto attraverso guaine metalliche che costituiscono anche
l'elemento strutturale
flessibile utilizzato per realizzare i giunti. Questa particolare
caratteristica ha permesso
di rendere tutti i gradi di libertà presenti nella UB Hand 3
indipendenti fra di loro.
Successivamente, all'interno del progetto DEXMART, l'esperienza
acquisita durante
lo sviluppo della UB Hand 3 ha portato al progetto ed alla
realizzazione di una nuova
mano robotica, la UB Hand 4, ulteriore evoluzione del modello
precedente in
cui sono stati introdotti molti fattori innovativi, come l'uso di
tecniche di prototipazione
rapida, il routing dei tendini senza l'uso di guaine con
conseguente ottimizzazione del
percorso dei tendini e minimizzazione dell'attrito, l'introduzione
di giunti non convenzionali (giunti flessibili e a strisciamento) e
di polpastrelli soffici con caratteristiche simili
alla pelle umana. Inoltre mi sono occupato dello sviluppo di
appositi sensori di
posizione e forza basati su componenti optoelettronici, fattore che
ha permesso
di migliorare sensibilmente l'immunità ai disturbi dei sensori
stessi semplificandone allo
stesso tempo l'elettronica di acquisizione. La mia attivit` di
ricerca in questo ambito è
stata dedicata anche allo studio ed all'implementazione del sistema
di controllo sia per
quanto riguarda la parte hardware che la parte software, e allo
studio del modello
e del controllo del sistema di attuazione.
- Modellazione e controllo di sistemi di trasmissione a
tendine
I sistemi di trasmissione basati su tendini vengono impiegati da
molto tempo per diverse applicazioni, perchè permettono di
realizzare sistemi di trasmissione del moto e delle forze molto
semplici ed efficenti anche quando la distanza fra attuatore e
utilizzatore risulta piuttosto elevata, e quindi permettono di
ottimizzare la disposizione degli attuatori, e quindi delle masse,
rispetto alle parti in movimento. Questa modalità di attuazione
presenta però tutta una serie di svantaggi che ne limitano
l'applicazione e
la diffusione, quali principalmente l'unilateralità delle forze
trasmissibili, il che implica
l'utilizzo di questi sistemi in coppie oppure affiancati a sistemi
di richiamo, l'elasticità
introdotta nella catena di trasmissione e il problema di dover
garantire il tensionamento
dei tendini per un corretto funzionamento del sistema. Inoltre,
l'uso di guaine come guide per i tendini, mentre da una parte
semplifica ulteriormente la catena di trasmissione, dall'altra
introduce effetti di attrito distributi lungo il tendine difficili
da modellare e da compensare.
In questo ambito di ricerca mi sono occupato dell'analisi del
sistema di trasmissione
basato su tendine e guaina, con particolare attenzione per quelli
che sono gli effetti
di elasticità e attrito, e ho introdotto opportuni modelli sia
statici che dinamici utili
ai fini sia di simulare il comportamento del sistema, sia di
progettare leggi
di controllo in grado di compensare gli effetti indesiderati e di
controllare il moto del
tendine e le forze da esso trasmesse. Mi sono inltre occupato dello
svolgimento di
misure sperimentali per verificare la validità dei modelli
proposti. Gli studi portati
avanti su questo tipo di attuazione sono stati in seguito estesi a
sistemi di attuazione
in cui non si fa uso di guaine, bensì i tendini scorrono sia
attorno che all'interno della
struttura stessa della mano robotica.
- Modellazione e controllo di sistemi di attuazione
antagonista
I manipolatori industriali vengono normalmente progettati in modo
da avere link molto
rigidi, il che implica una notevole massa del link stesso, ed in
modo da minimizzare
l'elasticità del collegamento fra gli attuatori ed i guinti e
quindi la deformazione degli
elementi di trasmissione, quali alberi, cinghie o harmonic drives.
L'approssimazione di
link e guinti rigidi viene assunta anche in fase di modellazione e
di progetto della legge
di controllo al fine di ottenere un controllore relativamente
semplice. Questi criteri di
progetto sono guistificati dalle specifiche degli impieghi
industriali, che solitamente richiedono grande ripetibilità,
accuratezza e semplicità di implementazione dell'algoritmo
di controllo.
Negli ultimi anni si sta sviluppando una nuova famiglia di robot,
concepiti per compiti completamente differenti rispetto ai
manipolatori industriali, quali le attività spaziali
e subacquee, per l'intrattenimento, le attività domestiche e
l'assistenza alle persone
anziane o ai portatori di handicap. In questi robot, le principali
richieste sono l'affidabilità e la sicurezza, mentre la precisione
e la ripetibilità sono aspetti secondari. Questo esclude
dall'utilizzo per questi scopi i manipolatori industriali,
soprattutto a causa delle loro limitazioni intriseche in termini di
sicurezza durante l'interazione con ambienti sconosciuti.
I manipolatori robotici a rigidezza variabile rappresentano una
possibile alternativa
di progetto al fine di dotare questi dispositivi di caratteristiche
di sicurezza intrinseche
che rendano possibile l'interazione uomo-robot senza rischi per
l'operatore umano. Mi
sono quindi occupato dello studio degli aspetti relativi alla
modellazione ed al controllo
di dispositivi a rigidezza variabile realizzati tramite l'impiego
di elementi di trasmissione con caratteristica deformazione-forza
non lineare in configurazione antagonista.
In particolare, ho analizzato le condizioni, sia strutturali che
dipendenti dall'implementazione, che ne rendono possibile la
linearizzazione completa dello stato e il controllo
simultaneo e disaccoppiato della posizione e della rigidezza dei
giunti e i relativi
problemi di robustezza del controllo. Ho inoltre studiato tecniche
di controllo per
robot con giunti a rigidezza variabile basate solamente sulle
uscite del sistema, evitando
in questo modo di dover conoscere l'intero stato. L'analisi
effettuata è stata
validata sia tramite simulazione che tramite esperimenti su di un
giunto robotico speri-
mentale. Ultimamente, ho affrontato anche il problema
dell'ottimizzaione del progetto
di giunti a rigidezza variabile in configurazione antagonista
tenendo in considerazione sia
aspetti relativi al controllo, sia aspetti meccanici che di
minimizzazione dell'ingombro
del meccanismo.
- Sviluppo di strumenti di programmazione per applicazioni di
controllo realtime in ambiente RTAI-Linux
Questa attività di ricerca trae le sue origini dalla necessità di
disporre di un ambiente
realtime e di strumenti di programmazione per applicazioni di
controllo, caratterizzati
da un'elevata flessibilità d'impiego e un'interfaccia semplice e da
elevate prestazioni. La
scelta della piattaforma opensource RTAI-Linux come base per questo
sistema permette
di sfruttare l'enorme quantità di applicazioni già disponibili a
costo zero per Linux e di
utilizzare hardware standard e a basso costo, ampiamente
disponibile sul mercato, per
l'implementazione di sistemi di controllo digitale.
In questo ambito, una delle mie prime attività è stata quella di
introdurre concetti
tipici dell'ingegneria del software, quali la modularità del
software ed il concetto di
agente, nel progetto e nell'implementazione di applicazioni di
controllo realtime al fine
di semplificare e migliorare la flessibilità del sistema di
controllo della UB Hand 3.
Un altro aspetto che ho curato è stato lo sviluppo di sistemi di
simulazione realtime
di sistemi dinamici, e di interfaccie astratte per la comunicazione
fra le applicazioni
di controllo e, da una parte, l'hardware di acquisizione, mentre,
dall'altra, con l'utente.
Questo approccio permette di rendere l'implementazione del
controllore indipendente
dal sottosistema di input/outut. Mi sono occupato
dell'implementazione di algoritmi
realtime per l'integrazione di sistemi di equazioni differenziali
ordinarie, tramite il
quale è stato possibile collegare la simulazione dell'impianto da
controllare direttamente
all'applicazione di controllo al fine di valutarne la correttezza e
le prestazioni, per
poi passare al controllo del sistema fisico reale senza alcuna
modifica alla applicazione
di controllo stessa.
Mi sono occupato della realizzazione di una distribuzione di
RTAI-Linux, funzionanante direttamente da CD-ROM oppure
installabile su HardDisk, completa di una vasta gamma di strumenti
opensource per lo sviluppo ed la verifica di applicazioni di
controllo. Questa distribuzione, basata su KNOPPIX 5.0 e per questo
denominata RTAI-KNOPPIX, è dotata di identificazione e
configurazione automatica dell'hardware e permette, senza necessità
di installare nulla, di avere a disposizione un sistema operativo
realtime completo dalle funzionalità avanzate. Questo ambiente di
programmazione
è stato utilizzato con successo come strumento didattico nei corsi
di controlli automatici.
