PROGETTO DI UNITÀ DI RICERCA - MODELLO B Anno prot. 2007CCRNFA_005

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1 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 del 18 settembre 2007) PROGETTO DI UNITÀ DI RICERCA - MODELLO B Anno prot. 2007CCRNFA_ Area Scientifico-disciplinare 09: Ingegneria industriale e dell'informazione 100% 2 - Durata del Progetto di Ricerca 24 Mesi 3 - Coordinatore Scientifico DE LUCA ALESSANDRO Professore Ordinario Università degli Studi di ROMA "La Sapienza" Facoltà di INGEGNERIA Dipartimento di INFORMATICA E SISTEMISTICA 4 - Responsabile dell'unità di Ricerca BICCHI ANTONIO Professore Ordinario 01/06/1959 BCCNTN59H01G870P Università degli Studi di PISA Dipartimento di SISTEMI ELETTRICI E AUTOMAZIONE (Prefisso e telefono) (Numero fax) 5 - Curriculum scientifico Testo italiano Antonio Bicchi e' Professore Ordinario di Automatica(ING-INF04) presso la Facolta' di Ingegneria di Pisa. Dopo il Dottorato di Ricerca (Univ. di Bologna, 1988), e' stato presso il MIT (Cambridge, MA, USA, ) e presso il Centro Interdipartim. di Ricerca ``E. Piaggio'' della Univ. di Pisa, dove coordina le attivita' di Automazione e Robotica dal 1990 ad oggi. Dal 2003 è Direttore di questo Centro, in cui si svolgono ricerche in Automazione e in Bioingegneria. E' autore di circa 200 lavori su rivista, libro e atti di conferenze revisionate e pubblicate, e di 4 Brevetti Industriali. Tra le più importanti attivita' e riconoscimenti si ricordano: * Vice Presidente ( ) della "IEEE Society of Robotics and Automation" * Distinguished Lecturer della "IEEE R&A Society" * Membro dell' Executive Committee della Network of Excellence "HYCON - Hybrid Control: Taming Heterogeneity and Complexity of Networked Embedded Systems", C.E. FP6 IST Grant * Membro del Key Area Coordination Committee per la Network of Excellence ``EURON - European Robotics Network'', FP6 IST Grant * General Chair della conferenza internazionale "Hybrid Systems: Computation and Control", Pisa, Aprile 2007 * General Chair della conferenza internazionale "IEEE First Joint Haptics Symposium and Eurohaptics - WORLDHAPTICS 2005" Pisa, Marzo 2005 * Invited Distinguished Lecturer alle Jornadas Nacionales de Robotica, Santander, Spain; Relatore plenario alla Conferenza "Europhaptics 2001", Birmingham, all'int. Seminar Robotics and Mechatronics, 2000; IEEE ICRA 1997 (panel ``Grand Challenges in Robotics''); Symp. Int. Fed. Theory of Machines & Mechanisms, * Vice Program Chair per l'europa della IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation nel 2002 e nel 2005, oltre ad aver servito nel Comitato di molti altri eventi MUR - BANDO * MODELLO B * - 1 -

2 scientifici internazionali. * Membro di Ph.D. Review Committees presso il KTH di Stoccolma, l'eth di Zurigo, ed altre Universita' europee, e di Panel di valutazione scientifica per la C.E. e per agenzie scientifiche di Svezia, Paesi Bassi, U.S.A. * Coordinatore del progetto C.E. FP ``Phridom'' (Physical Human Robot Interaction in Anthropic Domains), e responsabile scientifico dei progetti: **FP6 IST ``RUNES'' (Reconfigurable Ubiquitous Networked Embedded Systems); **FP5 IST ``TOUCH-HAPSYS'' (Towards a Touching Presence: Hight-Definition Haptic Systems); **FP5 IST project ``RECSYS'' (Real-Time Embedded Control of Mobile Systems with Distributed Sensing); **TEMPUS project ``Edutrac'' (Accreditation and Certification In Industrial Metrology); **NATO CRG Grant ``Motion Planning for Air Traffic Management Systems (ATMS)'' (with U.C. Berkeley); **Scientific Cooperation Joint project (Poland Ministry for University) ``Statistical Methods for evaluation and design of multivariate sensors'' (with Univ. Wroclaw). **ONR-CNR Bilateral Research Program on ``Whole-Arm and Enveloping Manipulation'' (with MIT - AI Lab). * Membro dell'"advisory Committee" della "IEEE Society of Robotics and Automation" ( ) * Presidente del Comitato Tecnico della "IEEE Control Systems Society" per "Manufacturing, Automation and Robotics" * Associate Editor dell'"int. Journal of Robotics Research", della IEEE Robotics and Automation Magazine, delle "IEEE Transactions on Robotics and Automation" ( ) e di "Applied Mathematics and Computer Science" * Presidente del comitato di programma del workshop IEEECSS/RAS "Control Problems in Robotics", Las Vegas dicembre 2002; * Organizzatore di due Workshop IEEE-RAS e del primo Int. Workshop on Mathematical Control Theory and Robotics; * Relatore Invitato, IFAC Works. Hamiltonian and Lagrangian Methods in Nonlinear Control, 2000; AMS SRI 1997 Differential Geometry and Control; IEEE CSS/RAS Work. Control Problems in Robotics and Automation; CICESE/CINVESTAV Work. Nonlinear Control and Robotics; NSF/ONR Work. Human and Machine Haptics; Work. Robustnes in Identification and Control; School on Modelling and Control of Mechanical Systems; HEROS 1996; VII e IX Simposio ISRR. Testo inglese ANTONIO BICCHI is Professor of Robotics at the School of Engineering, Univ. of Pisa. After his Ph.D. (Univ. Bologna, 1988), he has been with MIT (Cambridge, MA, USA, ) and with the Interdept. Research Center ``E. Piaggio'',Univ. Pisa. His research interests are in Automatic Control and Robotics. At Centro Piaggio, where an interdisciplinary research agenda in Automation and Bioengineering is brought forward, he is in charge of the Automation and Robotics group, and Director. Among his activities are: * Vice President ( ) and Distinguish lecturer of "IEEE Society of Robotics and Automation" * Member of the Advisory Committee, IEEE Society of Robotics and Automation; * Chairman, IEEE Control Systems Society Technical Committee on Manufacturing, Automation and Robotics * Associate Editor, Int. Journal of Robotics Research, IEEE Robotics and Automation Magazine, IEEE Transactions on Robotics and Automation ( ), Applied Mathematics and Computer Science ( ) * Program Chairman, IEEE-RAS/CSS joint Workshop on Control Problems in Robotics, Las Vegas, December 2002; * Chairman, Best Paper Award Committee, IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, ICRA'02, Washington, D.C.; * Vice Program Chair for Europe, IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, ICRA'02, Washington, D.C.; * Co-Organizer of two IEEE Robotics and Automation Society workshops in 1998 and 1996; Organizer of the first Int. Workshop on Mathematical Control Theory and Robotics (2000); * Keynote Speech: "Tactile Flow", Eurohaptics 2001, Birmingham, UK. Plenary speaker at the 2001 Int. Seminar Robotics and Mechatronics, 2000; IEEE ICRA 1997 (panel ``Grand Challenges in Robotics''); Symp. Int. Fed. Theory of Machines & Mechanisms, Invited speaker at IFAC Works. Hamiltonian and Lagrangian Methods in Nonlinear Control, 2000; IEEE CSS/RAS CPRA 1997; ICESE/CINVESTAV NLC&R 1997; NSF/ONR H&MH 1997; AMS SRI * IPC member in ca. 40 Int. Conferences * Principal investigator of research grants from CEE (IST, ESPRIT and TEMPUS), Italian Space Agency (ASI), ENEA, bilateral (Italy--USA) CNR/NSF and CNR/ONR, FIAT Auto. He is author of ca. 150 papers in international journals, books, and edited proceedings, and holds 4 patents. 6 - Pubblicazioni scientifiche più significative del Responsabile dell'unità di Ricerca 1. A. BALLUCHI, BICCHI A., E. MAZZI, A. SANGIOVANNI-VINCENTELLI, AND G. SERRA. (2007). Hybrid Modeling and Control of the Common-Rail Injection System. INTERNATIONAL JOURNAL OF CONTROL. ISSN: accepted for publication. 2. A. DE SANTIS, B. SICILIANO, A. DE LUCA, BICCHI A. (2007). An atlas of physical human-robot interaction. MECHANISM AND MACHINE THEORY. ISSN: X. in press- available online as a preprint. 3. B. PICASSO, BICCHI A. (2007). Controlled invariance analysis of quantized LTIDT single-input systems: hypercubes in controller form are minimal invariants. NONLINEAR ANALYSIS. ISSN: X. 4. B. PICASSO, BICCHI A. (2007). On the Stabilization of Linear Systems Under Assigned I/O Quantization. IEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATIC CONTROL. ISSN: in stampa settembre BICCHI A., A. DANESI, G. DINI, S. LA PORTA, I.M. SAVINO, L. PALLOTTINO, R. SCHIAVI. (2007). A safe and secure component-based platform for heterogeneous multi-robot systems. IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION MAGAZINE. ISSN: BICCHI A., E.P. SCILINGO, E. RICCIARDI, P. PIETRINI. (2007). Tactile flow explains haptic counterparts of common visual illusions. BRAIN RESEARCH BULLETIN. ISSN: in stampa. 7. C. BELTA, BICCHI A., M. EGERSTEDT, E. FRAZZOLI, E. KLAVINS, G. J. PAPPAS. (2007). Symbolic Planning and Control of Robot Motion: State of the Art and Grand Challenges. IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION MAGAZINE. vol. 14(1), pp ISSN: E. RICCIARDI, N. VANELLO, L. SANI, C. GENTILI, E. P. SCILINGO, L. LANDINI, M. GUAZZELLI, BICCHI A., J. V. HAXBY, AND P. PIETRINI. (2007). The Effect of Visual Experience on the Development of Functional Architecture in hmt+. CEREBRAL CORTEX. ISSN: in stampa. 9. K.-E. ARZEN, BICCHI A., G. DINI, S. HAILES, K. H. JOHANSSON, J. LYGEROS, AND A. TZES. (2007). A component-based approach to the design of networked control systems. EUROPEAN JOURNAL OF CONTROL. pp. 2-3 ISSN: Invited paper. 10. L. PALLOTTINO, V. G. SCORDIO, E. FRAZZOLI, BICCHI A. (2007). Decentralized cooperative policy for conflict resolution in multi-vehicle MUR - BANDO * MODELLO B * - 2 -

3 systems. IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS. ISSN: cond. accepted. 11. R. FILIPPINI, S. SEN, BICCHI A. (2007). Variable Impedence Actuations for Physical Human Cooperating Robots: a Comparative Analysis of Performance, Safety and Dependability. IARP-IEEE/RAS-EURON Workshop on Technical Challenges for Dependable Robots in Human Environments. 12. R. FILIPPINI, S. SEN, G. TONIETTI, BICCHI A. (2007). A Comparative Dependability Analysis of Antagonistic Actuation Arrangements for Enhanced Robotic Safety. IEEE Trans. on Robotics and Automation. (pp ). 13. R. RIZZO, N. SGAMBELLURI, E. P. SCILINGO, M. RAUGI, BICCHI A. (2007). Electromagnetic Modeling and Design of Haptic Interfaces Prototypes based on MagnetoRheological Fluids. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS. ISSN: Elenco dei partecipanti all'unità di Ricerca Componenti Componenti della sede dell'unità di Ricerca nº Cognome Nome Università/Ente Qualifica Impegno 1 anno 2 anno 1. BICCHI Antonio Università degli Studi di PISA Professore Ordinario LANDI Alberto Università degli Studi di PISA Professore Straordinario ZINI Giancarlo Università degli Studi di PISA Professore Ordinario 6 6 TOTALE Componenti di altre Università / Enti vigilati Nessuno Titolari di assegni di ricerca Nessuno Titolari di borse nº Cognome Nome Università/Ente Qualifica Impegno 1 anno 2 anno 1. GRIOLI Giorgio Università degli Studi di PISA Dottorando PALLOTTINO Lucia Università degli Studi di PISA Borsista post doc SCHIAVI Riccardo Università degli Studi di PISA Dottorando WEILEMANN BELO Felipe Augusto Università degli Studi di PISA Dottorando 2 5 TOTALE Altro personale Nessuno Personale a contratto da destinare a questo specifico Progetto nº Tipologia di contratto Costo Impegno Note previsto 1 anno 2 anno 1. Borsista Da definire TOTALE MUR - BANDO * MODELLO B * - 3 -

4 7.4 - Dottorati a carico del PRIN da destinare a questo specifico Progetto Ministero dell, Università e della Ricerca Nessuno 8 - Titolo specifico del Progetto svolto dall'unità di Ricerca Testo italiano Progetto, Sviluppo e Controllo di Meccanismi ad Impedenza Variabile per Robot ad Alte Prestazioni in Interazione Diretta e SICURA con l'uomo. Testo inglese Design, Realization and Control of Variable Impedance Mechanisms for High-Performance and Safe Physical Human-Robot Interaction. 9 - Abstract del Progetto svolto dall'unità di Ricerca Testo italiano I robot progettati per la cooperazione con l'uomo, ad esempio nella manipolazione assistita, l'assemblaggio cooperativo, le attività domestiche, l'intrattenimento, la riabilitazione e le applicazioni mediche, devono soddisfare requisiti ben diversi da quelli che tipicamente si incontrano nelle applicazioni industriali convenzionali. I robot pensati per l'applicazione in tali aree potrebbero infatti rinunciare a prestazioni elevatissime ad esempio di rigidezza o accuratezza, a vantaggio di miglioramenti della loro sicurezza, affidabilità e più in generale della loro "dependability" in ambienti dinamici che cambiano in maniera non predicibile. Data tale discrepanza nei requisiti, questo progetto punta sostanzialmente all'avanzamento dello stato dell'arte nella progettazione e nel controllo dei robot, al fine di permettere una interazione fisica intrinsecamente sicura tra uomo e robot. Il progetto SICURA si propone di sviluppare componenti chiave per la prossima generazione di robot, i quali dovranno soddisfare agli standard di sicurezza più stringenti, ma allo stesso tempo continuare a fornire prestazioni elevate. Questo pone delle nuove sfide nella progettazione di tutte le componenti del robot: la meccanica, il controllo, gli algoritmi di pianificazione e i sistemi di supervisione. Il contributo di UNIPI a SICURA si ispira ad un approccio di progettazione integrata, un co-progetto del sistema robotico per l'interazione sicura tra uomo e robot. Questo approccio rivoluziona il classico paradigma della progettazione dei robot industriali - strutture rigide per l'accuratezza, controllo attivo per la sicurezza - trasformandolo in un nuovo paradigma: progettare robot che sono intrinsecamente sicuri, e controllarli per recuperare elevate prestazioni. Il lavoro svolto a Pisa per SICURA, consisterà nel creare e implementare: 1) progetti e prototipi di attuatori innovativi; 2) nuovi algoritmi robusti e affidabili per la supervisione e la pianificazione; 3) nuovi algoritmi di controllo che gestiscano l'interazione sicura uomo-robot e con un comportamento di tipo "fault-tolerant". UNIPI contribuirà inoltre a SICURA per quanto riguarda: 4) l'integrazione di queste componenti in sottosistemi significativi da un punto di vista funzionale; 5) la valutazione quantitativa di componenti e sottosistemi tramite analisi sperimentali. Come menzionato nel modello A, UNIPI sarà responsabile della coordinazione del Workpackage PLAN (Pianificazione), e contribuirà anche ai Workpackage MECC e CONT. Per quanto riguarda PLAN, UNIPI si focalizzerà sui problemi di sicurezza, robustezza e affidabilità, che sono molto complessi e multidisciplinari, cosicché in un primo passo verranno identificati i requisiti per il ristretto insieme di tecnologie che verrà sviluppato in SICURA. Una più ampia definizione top-down del concetto di sicurezza per i robot (di questa e della prossima generazione) è naturalmente incluso in questa analisi, analisi che andrà anche oltre queste funzioni, per essere pienamente sfruttata all'interno del progetto (ad esempio riguardando la ridondanza di sensori e dispositivi di calcolo). Inoltre, verrà sviluppata una visione innovativa riguardante uno degli argomenti classici della robotica: quello della pianificazione delle traiettorie dei robot. L'approccio proposto è basato sulla pianificazione ottima di traiettorie di movimento e di rigidezza che minimizzino il tempo di trasferimento (rest-to-rest), rispettando vincoli sulla massima coppia disponibile e sulla sicurezza. Infine, per quanto riguarda MECC e CONT, la ricerca di UNIPI riguarderà il controllo sicuro e accurato di bracci ultra-leggeri con elasticità ai giunti non trascurabile (ma costante) ed il controllo simultaneo di posizione e rigidezza in dispositivi a rigidezza variabile. L'obiettivo di questa ricerca è lo sviluppo di metodologie di progettazione per una nuova generazione di robot passivamente sicuri. In tale contesto il primo passo rilevante consiste nello stabilire appropriate metriche per la valutazione della sicurezza e delle prestazioni. Basandosi poi su delle metriche, rivisitate o di nuova concezione, per bilanciare sicurezza e prestazioni, verrano valutati differenti progetti meccanico-controllistici di dispositivi robotici ad alta cedevolezza, in particolare quelli basati sul paradigma dell'attuazione ad impedenza variabile, o VIA (Variable Impedance Actuation), sviluppato originariamente da UNIPI, dove parametri di giunto quali rigidezza, smorzamento e rapporto di riduzione possono essere variati in maniera continua durante la movimentazione del link robotico. Testo inglese Robots designed to cooperate with humans, such as e.g. in assisted manipulation, collaborative assembly, domestic, entertainment, rehabilitation or medical applications, must fulfill different requirements from those typically met in conventional industrial applications. Robots for application in these areas could trade in certain traditional performance characteristics (e.g. rigidity or accuracy) to increase dependability and overall safety in unpredictable dynamically changing environments. Given such a discrepancy in requirements, this project aims at substantially advancing the state of the art in robot design and control to enable intrinsically safe physical human-robot interaction. SICURA is about developing key components of the next generation of robots, which have to meet the strictest safety standards, yet also to deliver useful performance. This poses new challenges to the design of all components of the robot, including mechanics, control, planning algorithms and supervision systems. The UNIPI contribution to SICURA is inspired to an integrated co-design approach of robotic systems for safe phri, which revolutionizes the classical design paradigm of industrial robots - rigid design for accuracy, active control for safety - into a new one: design robots that are intrinsically safe, and control them to deliver performance. Work done in Pisa for SICURA will create and deliver: 1) new actuator concepts and prototypes; 2) new dependable algorithms for supervision and planning; 3) new control algorithms for handling safe human-robot physical interaction and for fault-tolerant behaviour. UNIPI will contribute in SICURA in: 4) integrating these components in functionally meaningful subsystems; 5) evaluating quantitatively components and subsystems via experimental testing. As mentioned in Model A, UNIPI will be responsible of coordination of Workpackage PLAN (Planning) while contributing also on Workpackage MEC and CONT. Regarding PLAN, UNIPI will focus on safety and dependability problems which are very complex and multidisciplinary issues, so that in a first step we will identify the <b style="">requirements for the restricted set of technologies to be developed in <i style="">sicura. A broader and top-down definition of a <b style="">safety concept for robots (of the current and next generations) is naturally embedded in this analysis. Furthermore, a novel view will be developed on a classical topic in robotics, namely that of planning robot trajectories. In a conventional setting, these are supposed to MUR - BANDO * MODELLO B * - 4 -

5 be fast and accurately executable at the robot end-effector level. The proposed approach is based on an <b style="">optimal <b style="">planning of motion and stiffness <b style="">trajectories under maximum torque and minimum safety constraints, while minimizing the rest-to-rest motion transfer time. Finally, referring to MEC and CONT, UNIPI research will concern with the safe but accurate motion <b style="">control of lightweight arms with non-negligible (constant) joint elasticity and with the simultaneous motion/stiffness <b style="">control of variable impedance devices. The goal of this research topic is the development of design methodologies for a new generation of passively safe robots. Here, passively refers to the choice of having the mechanical (viz. motion actuation and transmission) design to take care of safety in the interaction, while the control design should be responsible for preserving performance. In this context, the first relevant issue is to establish appropriate <b style="">metrics for safety and<b style=""> for performance evaluation. Based on revised or newly introduced metrics trading off safety and performance, different concepts of mechanical/control <b style="">co-design of compliant robotic devices will be evaluated, in particular based on the Variable Impedance Actuation (VIA) paradigm originally developed by UNIPI, where joint parameters such as stiffness, damping, and gear-ratio may be continuously varied during link motion Parole chiave nº Parola chiave (in italiano) Parola chiave (in inglese) 1. SICUREZZA E PRESTAZIONI SAFETY AND PERFORMANCE 2. MECCATRONICA MECHATRONICS 3. ROBOTICA ROBOTICS 4. METODI DI CO-PROGETTAZIONE CO-DESIGN METHODS 5. CONTROLLO OTTIMO OPTIMAL CONTROL 11 - Stato dell'arte Testo italiano I robot di servizio, cioè adibiti ad operare in ambienti antropici quali il domestico, il medico, e l'intrattenimento [1]-[4], devono soddisfare requisiti diversi a quelli che devono essere soddisfatti dai robot industriali. Ad esempio, per i robot di servizio "l'accuratezza", requisito primario dei robot industriali, è meno importante dei requisiti di "sicurezza" e "affidabilità" [5],[6]. La pericolosità dei manipolatori convenzionali in casi di impatti indesiderati con l'operatore umano può essere drasticamente mitigata aumentando il livello di sensorizzazione (tramite ad esempio sensori di prossimità, quali le "pelli sensorizzate", [7], [8]) e/o modificandone il controllo. Il controllo attivo di rigidezza o di impedenza può essere utilizzato per introdurre cedevolezza tra il robot e l'ambiente durante le interazioni, ma questi approcci non sono efficaci in caso di impatti di porzioni del braccio che non sono equipaggiate con sensori. E' ormai ben noto che esistono intrinseche limitazioni sulle azioni che un controllore può operare per variare il comportamento dinamico di un robot, dovute in parte alla limitatezza in banda dei sistemi di attuazione e alle saturazioni sulle massime forze/coppie esercitabili dagli stessi. In altre parole, costruire un robot rigido e pesante, e garantire che esso operi in condizioni di sicurezza è un problema pressoché senza soluzione se condizioni realistiche sono prese in considerazione. Il primo braccio per applicazioni di servizio fu probabilmente il Whole-Arm-Manipulator (WAM), proposto in [9]. L'enorme importanza che ha la sicurezza per i robot che operano in ambienti antropici ha imposto notevole innovazione tecnologica nel progetto di attuatori, sensori, e strutture meccaniche, conducendo alla nascita di nuove generazioni di robot, quali i DLR-lightweight robots riportati in [10]. I bracci meccanici di questo tipo sono principalmente caratterizzati da bassa inerzia strutturale e da cedevolezza parassita, quindi indesiderata, ai giunti, causata in gran parte dall'utilizzo di trasmissioni meccaniche a cavi o cinghie, o dall'uso di sensori di coppia ai giunti. Opportune metodologie di controllo di forza/coppia, atte a mitigare gli effetti della cedevolezza strutturale sull'accuratezza, sono state progettate per impiegare questi robot in applicazioni con stringenti requisiti di sicurezza [11]-[13]. Un altro approccio per aumentare il livello di sicurezza di meccanismi che interagiscono con gli operatori umani consiste nell'introdurre intenzionalmente in fase di progetto cedevolezza meccanica a livello dei giunti. In questo modo, con l'impiego di strutture meccaniche leggere, si agisce disaccoppiando durante il moto le inerzie degli attuatori dalle inerzie delle parti movimentate, per diminuire l'inerzia riflessa del meccanismo percepita dall'operatore in caso di impatto [14]. La presenza di trasmissioni cedevoli influisce sul livello di accuratezza di posizionamento e sui tempi di risposta del meccanismo che possono essere recuperati utilizzando opportune politiche di controllo [15]. Un nuovo approccio al co-progetto di meccanica e controllo di una nuova generazione di sistemi di attuazione di meccanismi per l'interazione diretta con gli operatori umani, chiamato Approccio ad Impedenza Variabile (VIA), è stato proposto in [16] al fine di garantire sicurezza dei meccanismi in caso di impatti e allo stesso tempo prestazioni elevate. Tale approccio consiste nel variare durante il moto i parametri di impedenza meccanica quali frizione, rigidezza, e rapporto di trasmissione ai giunti. In particolare, le traiettorie ottime che devono essere inseguite dai parametri meccanici di impedenza vengono ottenute quali soluzioni del "Brachistocrono Sicuro" (BS), che consiste in un problema di controllo ottimo in tempo minimo con vincoli di sicurezza introdotto in [16, 17]. Per moti di "presa-e-rilascio", o "punto-a-punto", il BS impone valori elevati d'impedenza per basse velocità al fine di garantire alti livelli di accuratezza nelle fasi di presa e rilascio, mentre impone bassa impedenza per velocità elevate, in modo tale da disaccoppiare l'inerzia del sistema di attuazione dall'inerzia delle parti movimentate, garantendo sicurezza in presenza di impatti accidentali. Il concetto generale di VIA può essere implementato adottando differenti soluzioni meccaniche, che sfruttano ad esempio configurazioni antagoniste che emulano il funzionamento degli arti umani ([18]-[21]). La realizzazione e l'impiego industriale di attuatori a impedenza variabile impone il progetto di prototipi di attuatori veloci, accurati, e compatti. Per questo, in [21] si riporta una realizzazione di un prototipo di attuatore compatto a rigidezza variabile, e si discute un opportuno controllo in retroazione che consente l'inseguimento indipendente di traiettorie in velocità e posizione al giunto garantendo allo stesso tempo sicurezza e prestazioni. Testo inglese Robots designed to share an environment with humans, e.g., in domestic, entertainment, assistive, rehabilitation, or medical applications [1]-[4], must fulfill different requirements from those typically met in industry. It is often the case, for instance, that absolute accuracy requirements are less demanding. On the other hand, a concern of paramount importance is safety and dependability [5], [6] of the robot system. According to such difference in requirements, it can be expected that usage of conventional industrial arms for anthropic environments is far from optimal. The inherent danger to humans of conventional arms can be mitigated by drastically increasing their sensorization (using proximity-sensitive skins such as those proposed in [7] and [8], for example) and/or by modifying their controllers. Active stiffness and impedance control could be employed to introduce compliance with respect to sensed interactions. However, these approaches may not prove robust with respect to impacts on portions of the arm that are not equipped with sensors. Also, it is well known in the robotics literature that there are intrinsic limitations to what the controller can do to alter the behaviour of the arm if the mechanical bandwidth (basically dictated by mechanism inertia and friction) is not matched to the task (see, for example, [9]). In other words, making a rigid, heavy robot to behave gently and safely is an almost hopeless task if realistic conditions are taken into account. Probably the first lightweight arm for service applications was the whole-arm manipulator (WAM), proposed by [9]. The stress on safety has pushed a number of technological innovations in actuators, sensors, and structural design in recent years, leading to impressive realizations such as the generation of DLR lightweight robots [10]. Arms in this class are primarily characterized by the low inertia of their links and by backdrivability [9]. A relatively small amount of joint compliance is often present in these arms as a side-effect of other design choices such as cable transmission or joint torque sensors. Suitable force-control policies have been designed to employ such arms in safety-critical applications [11]-[13]. Another approach to increase the safety level of robot arms interacting with humans is to intentionally introduce mechanical compliance in the design. By this measure, which is still, of course, to be accompanied with low-inertia design of the arm's links, researchers tend to dynamically decouple the actuator's rotor inertia from the links whenever an impact occurs [14]. Naturally, compliant transmission can negatively affect performance in terms of increased oscillations and settling time. Accuracy in positioning and stiffness tuning should then be recovered by suitable design and control policies [15]. A new mechanical/control co-design approach, the Variable Impedance Approach (VIA), has been recently introduced in [16] as a new way to optimally trade safety and performance during task executions for a robot arm relying on the possibility to vary the mechanical impedance (i.e. stiffness, damping and/or gear-ratio parameters) of the actuation subsystem "on the fly". In particular, the way in which the mechanical impedance could optimally vary during motions can be determined as a solution of the Safe Brachistochrone optimal control problem introduced in [16, 17]. Results of such analysis show that optimal control of safe VIA mechanisms imposes high impedance at low link velocities, while low impedance should be commanded at high velocities, to decouple the actuator's inertia from the link's. Furthermore, the study in [17] shows that a crucial parameter for achieving high performance from VIA mechanism is the ratio between the maximum and minimum MUR - BANDO * MODELLO B * - 5 -

6 achievable actuator impedance. The general VIA concept can be implemented by different mechanisms, in particular those adopting antagonistic arrangements emulating human limbs (see e.g. the actuation systems discussed in [18]- [21]). However, a broader exploitation of the VIA concept in machines and industrial environments would largely benefit if fast, rugged, and compact VIA actuators were available. To this purpose, in [21] the realization of a compact rotary actuator with variable and controllable joint shaft stiffness is discussed in detail, along with its feedback control, which is able to guarantee safety and accuracy in positioning of the mechanism during fast trajectory tracking tasks, in spite of model parameter mismatches or unforeseeable disturbances. 12 Riferimenti bibliografici [1] J. Adams, R. Bajcsy, J. Kosecka, V. Kumar, R. Mandelbaum, M. Mintz, R. Paul, C. Wang, Y. Yamamoto, and X. 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Corke, Eds., "Technical Challenge for Dependable Robots in Human Environments", Seoul, Korea: IARP/IEEE Workshop, [7] E. Cheung and V. Lumelsky, "Proximity sensing in robot manipulator motion planning: System and implementation issues", IEEE Trans. Robot. Automat., no. 5, pp , [8] H. Iwata, H. Hoshino, T. Morita, and S. Sugano, "Force detectable surface covers for humanoid robots", in Proc. IEEE/ASME Int. Conf. Advanced Intell. Mechatronics, Como, Italy, July 8-11, 2001, pp [9] K. Salisbury, W. Townsend, B. Eberman, and D. DiPietro, "Preliminary design of a whole-arm manipulation system (WAMS)", in Proc EEE Int. Conf. Robot. Automat., Philadelphia, PA, 1988, pp [10] G. Hirzinger, A. Albu-Schäffer, M. Hähnle, I. Schaefer, and N. Sporer, "On a new generation of torque controlled light-weight robots", in IEEE Int. Conf. Robot. Automat., Seoul, Korea, 2001, pp [11] P. Kazanzides, J. Zuhars, B. Mittelstadt, and R.H. Taylor, "Force sensing and control for surgical robot", in Proc. Int. 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Conf. on Robotics and Automation, 1991, pp [21] G. Tonietti, R. Schiavi, and A. Bicchi, "Design and Control of a Variable Stiffness Actuator for Safe and Fast Physical Human/Robot Interaction", in Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation, April 2005, Page(s): Descrizione del programma e dei compiti dell'unità di Ricerca Testo italiano Come conseguenza dell'ampio divario esistente tra le specifiche e i requisiti per sistemi di interazione fisica uomo robot (phri) e quelli per i robot convenzionali, orientati all'industria, l'utilizzo delle tecnologie e gli schemi di controllo impiegati in esse per gli ambienti antropici è piuttosto lontano dall'essere ottimale. Una macchina che si muove velocemente è tipicamente più pericolosa di una lenta, ma le macchine lente sono spesso non accettabili nelle applicazioni. Alcuni tentativi sono stati fatti in passato per superare questo problema utilizzando sensori sulle parti mobili (e rigide) della macchina e il controllo attivo. Queste soluzioni tendono ad essere costose, ingombranti e non abbastanza affidabili. In SICURA, il ruolo del Centro Interdipartimentale di Ricerca "E. Piaggio", Università di Pisa (UNIPI), sarà quello di sviluppare nuovi design e metodologie di controllo relativamente ai Workpackage MECC, PLAN, e CONT. In SICURA, UNIPI valuterà ed introdurrà i suoi risultati nella definizione dei futuri standard. Gli standard di sicurezza attuali potrebbero essere troppo restrittivi pre le applicazioni future, poiché sono pensati per le attuali applicazioni industriali. Nuove metodologie per la sicurezza influenzeranno le possibilità tecnologiche dei robot futuri, e quindi, i prossimi standard di sicurezza. I risultati previsti di UNIPI possono riassumersi come segue: 1) Risultati previsti nella progettazione meccatronica di meccanismi intrinsecamente sicuri (MECC) Il lavoro si focalizzerà su di un particolare aspetto dei manipolatori robotici, e cioè la collisione inattesa del robot con un operatore umano. Numerosi indici standard per misurare l'entità degli infortuni sono stati sviluppati in passato, incluso ad esempio il GSI (Gadd Severity Index), ed la sua evoluzione HIC (Head Injury Criterion), in cui T è per convezione il tempo finale dell'impatto e a è l'accelerazione a cui e sottoposta la testa dell'operatore durante l'impatto. In genere, il calcolo dei sopraccitati indici di severità avviene per via numerica, basandosi su dati sperimentali o simulazioni. Un valore di HIC pari a 1000 o maggiore è associabile a infortuni molto gravi; mentre un valori di 100 può considerarsi accettabile per una macchina che opera in condizioni normali interagendo con un uomo. Recenti sviluppi nella progettazione di attuatori intrinsecamente sicuri, i cosiddetti attuatori a impedenza variabile o VIA (Variable Impedance Approach), suggeriscono che sia possibile ottenere contemporaneamente buone prestazioni e sicurezza negli impatti, variando l'impedenza meccanica durante il moto, come avviene nella soluzione del problema del Brachistocrono Sicuro [16]. MUR - BANDO * MODELLO B * - 6 -

7 Figura 1. Schema concettuale di un attuatore ad impedenza variabile. Per cambiare l'impedenza Z = F/v di un meccanismo durante l'esecuzione di un task, si può agire sui tre parametri K, D e N. Figura 2. Il comportamento intuitivo di un attuatore VIA in un task rest-to-test a 1-DOF. Per esempio, le figure 1 e 2, mostrano rispettivamente uno schema concettuale di un sistema VIA, e il tipico andamento della velocità di un giunto durante un task rest-to-rest. Ad un livello piuttosto intuitivo, si vuole che il giunto abbia bassa impedenza nelle fasi di movimento ad alta velocità, così da minimizzare il rischio di infortunio; d'altra parte, sarebbe appropriato avere alta impedenza nelle prime fasi dell'accelerazione, per mettere in moto il link rapidamente, e nelle fasi finali di decelerazione, per minimizzare le oscillazioni. In quest'ottica verranno sviluppati attuatori meccatronici compatti con impedenza meccanica variabile, capaci di sostanziali variazioni di impedenza, ottimizzando i loro intervalli di impedenza e velocità ottenibili. Nella figura 3 si riporta un prototipo ti questo attuatori, che consiste in due motori DC controllati indipendentemente, connessi all'asse del link tramite una puleggia, messa in tensione da elementi elastici. Particolari sforzi della ricerca saranno orientati all'ottimizzazione di tali elementi per massimizzare la coppia trasmissibile al link in configurazione rigida, e contemporaneamente ottimizzare l'intervallo di variazione della rigidezza. Figura 3. Primo prototipo sviluppato presso UNIPI di attuatore a rigidezza variabile (VSA-I) e suo principio di funzionamento. Un sistema VIA può essere realizzato con diverse soluzioni (attuazione macro-mini parallela e distribuita, attuazione antagonistica, ecc.). Ci sono, inoltre, molte questioni aperte riguardanti la co-progettazione ottima di un attuatore VIA; l'attuazione antagonistica può essere realizzata da due motori di uguale potenza, con una soluzione asimmetrica o introducendo un accoppiamento elastico tra i due elementi antagonisti. Verrà perciò adottato un approccio di ottimizzazione in co-progettazione, utilizzando adeguate metriche per la sicurezza e le prestazioni. UNIPI inizierà studiando meccanismi di attuazione ad un grado di libertà. L'obiettivo è di sviluppare un componente monoblocco compatto, che integri motori, riduzioni e sistema VIA. Il componente dovrà avere l'aspetto esteriore di una tipica unità motore elettrico/riduzione, ma con la capacità addizionale di variare la rigidezza nell'albero di uscita. Alternativamente si realizzeranno dispositivi capaci di variare lo smorzamento o più in generale l'impedenza dell'albero di uscita. Il componente sarà orientato per l'utilizzo a tutto tondo in macchine per l'interazione fisica con l'uomo; tuttavia, altre potenziali applicazioni sono ipotizzabili, per esempio in meccanismi efficienti per l'attuazione intermittente, dove è importante avere elementi variabili per l'immagazzinamento di energia meccanica (ad esempio per meccanismi di locomozione su gambe). Il lavoro di UNIPI proseguirà con la progettazione di sistemi VIA integrati per dispositivi a molti gradi di libertà, in particolare bracci robotici. Il passo da uno a MUR - BANDO * MODELLO B * - 7 -

8 molti g.d.l., pone nuove sfide. La definizione di metriche per sicurezza e prestazioni orientate alla progettazione di braccia robotiche (ad esempio dimensioni, velocità e inerzie dei link) è ancora un problema aperto. Ad esempio si possono immaginare alternative alle attuali catene seriali di link a 1 g.d.l., come i giunti accoppiati, che combinano 2 o 3 g.d.l. (come la spalla umana). Soluzioni ridondanti o antagonistiche accoppiate (come nel braccio umano) possono essere prese in considerazione per massimizzare il compromesso sicurezza-prestazioni. 2) Risultati previsti relativamente alla pianificazione dei movimenti (PLAN) La pianificazione ottima di velocità ed impedenza delle parti mobili di una macchina, sono state introdotte in [16] per garantire sicurezza e prestazioni in meccanismi ad impedenza variabile molto semplici (ad 1 g.d.l.) pensati per operare in stretto contatto con l'uomo. In questo lavoro è stata introdotta la Brachistocrona Sicura, cioè la soluzione al seguente problema: "Dato un meccanismo con la sua inerzia locale e i limiti dei suoi attuatori, trovare il tempo minimo per spostarsi tra due configurazioni prestabilite, facendo in modo che ad ogni istante del moto un eventuale impatto con il dispositivo induca delle accelerazioni tali da mantenere un determinato indice di severità sotto livelli di sicurezza". Questo problema sarà generalizzato a n g.d.l, considerando strutture generiche complesse che operano in sicurezza mantenendo determinate prestazioni in ambienti antropici. Si noti che il Brachistocrono Sicuro è un utile strumento di controllo ottimo, capace di risolvere il problema della movimentazione punto-punto ottimizzando il compromesso sicurezza prestazioni, ma, data la sua complessità computazionale, l'efficacia decresce se prova ad adottarlo in linea e in presenza di movimenti generici. Algoritmi in linea, ottimi o sub-ottimi, per la pianificazione dell'impedenza rispetto alla velocità dei giunti per sistemi complessi, saranno progettati e implementati su controllori embedded; inoltre la loro affidabilità e efficacia, sia in termini di prestazioni che di sicurezza, sarà provata sperimentalmente. UNIPI punta allo sviluppo di una procedura in tempo reale che adatti in linea la traiettoria di un manipolatore in un contesto dove il robot è in stretto contatto con una persona, chiamata Pianificazione Reattiva (Reactive Planning). Non soltanto la traiettoria, ma anche i profili di velocità dovranno essere aggiornati in tempo reale. 3) Risultati previsti relativamente a sistemi di controllo per la sicurezza e l'accuratezza (CONT) L'attuale stato dell'arte sarà approfondito e ripensato in CONT. Per garantire sicurezza e prestazioni, anche in presenza di incertezze nei parametri costruttivi, verranno analizzate tecniche di controllo adattivo. Infatti il controllo dinamico di braccia meccaniche cedevoli e regolabili eredita molti dei problemi incontrati nel controllo di braccia flessibili, ma posso sfruttare solo parzialmente le soluzioni ottenute in tale campo. Un differenza chiave è la presenza essenziale di non linearità nel modello dei meccanismi VIA, cosa che rende ovviamente il controllo più difficile. Questo è maggiormente vero quando non è disponibile un modello esatto dei parametri del sistema, rendendo necessario l'adattamento. La dinamica del nostro prototipo chiamato VSA, è dove IR e IJ sono, rispettivamente, le inerzie dei motori DC e del link, D è il coefficiente di smorzamento, q1 q2 qj sono le posizioni angolari dei motori e del link, φ12, φj1 e φj2 sono le coppie agenti sulle pulegge dalle tre molle, τe racchiude tutti i disturbi esterni agenti sul link, τ1 e τ2 sono le coppie di controllo agenti sui due motori. Il task del controllo è di regolare la rigidezza della trasmissione e la posizione del link. Un obiettivo importante del controllo è garantire che traiettorie arbitrarie dell'end-effector possano essere inseguite mentre la rigidezza viene regolata ai valori desiderati, senza che i due anelli di controllo interferiscano tra loro (controllo disaccoppiato). Il progetto del controllo sarà basato su modelli dinamici del robot, possibilmente semplificati, coprendo dapprima il caso di un singolo g.d.l. e poi il caso a molti g.d.l. (verosimilmente 3). Dato che sono possibili diverse soluzioni meccaniche, uno studio preliminare riguarderà la trasformazione dei modelli dinamici così da verificare se sia possibile individuare una struttura "canonica" comune dei modelli. Nelle prime condizioni operative, si assumerà che le traiettorie di rigidezza previste siano effettivamente realizzate (cioè le variazioni di rigidezza saranno effettuate in ciclo aperto). Il controllore dovrà tenere in considerazione queste variazioni di rigidezza per l'inseguimento accurato delle traiettorie di riferimento. In seguito, si effettuerà la retroazione contemporanea di posizione e rigidezza mediante un approccio di disaccoppiamento ingresso uscita. Questo permetterà di specificare convenientemente i transitori relativi agli errori di ogni uscita controllata (posizione e rigidezza) in maniera indipendente e lineare. Gli schemi di controllo dovranno utilizzare soltanto i sensori disponibili sui dispositivi in questione. Al fine di testare e valutare gli algoritmi di pianificazione e di controllo sviluppati in PLAN e CONT, i migliori algoritmi risultanti saranno integrati con i prototipi sviluppati in MECC. La prima fase di validazione delle diverse soluzioni proposte sarà effettuato tramite simulazioni. Saranno possibili indagini relative a varie esempi di interazione uomo-robot, sia in situazioni di funzionamento normale, che in caso di rotture hardware e/o software. In simulazione, il sistema manipolatore può essere facilmente decomposto in sottosistemi semplici; questi possono essere simulati con dei modelli ragionevoli anche per le peggiori situazioni di malfunzionamento, con una elevata flessibilità. In un secondo momento, verranno progettati esperimenti, basati su standard assodati e utilizzando misure di sicurezza e di performance ben definite, per ciascuno dei sottosistemi e per il sistema uomo-robot nella sua totalità. Ciò includerà lo sviluppo di attrezzature per la valutazione della sicurezza in caso di impatto e per la calibrazione e il test dell'accuratezza degli apparati sperimentali. Test di valutazione e di analisi saranno effettuati su prototipi di dispositivi e manipolatori già esistenti (ad esempio l'unipi SoftArm). Programma del progetto Le attività di ricerca seguiranno, schematicamente, le seguenti quattro fasi: Fase 1 (Durata 6 mesi, Costo Euro) [Ph1a] Analisi dello stato dell'arte, riguardo il controllo e le metodologie di progetto concepite per garantire la sicurezza e le prestazioni di macchine durante task di interazione fisica uomo-robot Fase 2 (Durata 6 mesi, Costo Euro) [Ph2a] Estensione del controllo e della pianificazione ottima di traiettorie di velocità e impedenza a braccia robotiche ad impedenza variabile e molti gradi di libertà; [Ph2b] Studio analitico riguardo il progetto attuatori compatti ad impedenza variabile con prestazioni e intervalli di impedenza ottimizzati. Fase 3 (Durata 6 mesi, Costo Euro) [Ph3a] Progettazione e realizzazione di prototipi di attuatori ad impedenza variabile; [Ph3b] Progettazione e realizzazione di un braccio robotico ad impedenza variabile a molti gradi di libertà. Fase 4 (Durata 6 mesi, Costo Euro) [Ph4a] Validazione sperimentale della sicurezza e delle prestazioni del braccio robotico a n-g.d.l. realizzato nella fase [Ph3b], durante task di interazione fisica uomo-robot. Breve descrizione dell'unità di ricerca Il gruppo di robotica del Centro Interdipartimentale di Ricerca "Enrico Piaggio" è guidato dal Prof. Antonio Bicchi. La ricerca si concentra sullo sviluppo di metodologie e tecnologie per la robotica e l'automazione embedded. Il gruppo possiede esperienza pluriennale di contratti con agenzie nazionali, internazionali e della Comunità Europea, così come con partner aziendali. Attuali progetti finanziati CE includono: PHRIENDS (Physical Human-Robot INteraction: Dependability and Safety, FP6 CogSys); RUNES (IP 6FP, sui sistemi di controllo embedded via rete); HYCON (N.o.E 6FP, sul controllo ibrido). I principali risultati scientifici ottenuti riguardano l'analisi ed il controllo di veicoli e sistemi di manipolazione autonomi. Argomenti di ricerca tradizionali sono lo studio delle mani e dell'aptica - sia nell'uomo che nei robot. Altri maggiori spunti di ricerca dell'attività attuale sono i metodi di controllo avanzati per i sistemi complessi, in particolare sistemi non lineari e sistemi misti logico-dinamici, lo studio teorico, la progettazione lo sviluppo ed il controllo di sistemi di attuazione ad impedenza variabile, intrinsecamente sicuri e ad alte prestazioni, per macchine coinvolte nell'interazione fisica con l'uomo. Testo inglese As a consequence of the wide gap dividing application specifications and requirements in physical Human-Robot Interaction (phri) systems from those of conventional, industry-oriented robots, the usage of technologies and control schemes employed in the latter devices for anthropic environments is quite far from optimal. A machine that moves fast is typically more dangerous than a slow moving machine, but slow machines are often unacceptable in applications. Some attempts have been made in the past to overcome this problem by using sensorization of the moving parts of the (rigid) machines, and active control. These solutions tend to be costly, encumbering, and not sufficiently reliable. Within the SICURA project, the role of the Centro Interdipartimentale di Ricerca "E. Piaggio", University MUR - BANDO * MODELLO B * - 8 -

9 of Pisa (UNIPI), will be to develop new design and control methodologies related to workpackages MECC, PLAN, and CONT. Within SICURA, UNIPI will also evaluate and bring its new findings in the definition of future standards. Current safety standards may be much too restrictive for future applications because existing standards are made for today&#39;s industrial applications. The new safety methods will influence the technological possibilities of future robot systems and, therefore, influence future robot safety standards. UNIPI expected results can be outlined as follows: 1) Expected results related to the mechatronic design of intrinsic safe mechanisms (MECC) We will focus on a particular aspect of safety of robot manipulators, which concerns unexpected collisions by the manipulator with a human operator. Researchers have developed several standard indices of injury severity, including e.g. the Gadd Severity Index (GSI), and his mathematical refinement the Head Injury Criterion (HIC), where T is conventionally the final time of impact and a is the acceleration of the head of the operator during the impact. In general, evaluation of the above severity indices is numeric, based on either experimental or simulated data. An HIC value of 1,000 or greater is typically associated with extremely severe head injury; a value of 100 can be considered suitable to normal operation of a machine physically interacting with humans. Recent result on new approaches to design actuators for intrinsically safe machines, the so called VIA (Variable Impedance Approach) approach, can be summarized that performance and safety of impacts can be achieved by allowing the mechanical impedance of a machine to vary in a large range with respect to velocity during motions, as came from the solution of the Safe Brachistochrone problem [16]. It is interesting to note that variation of impedance is also observed in motions of the human limbs, which appear to be controlled by the cerebellum adopting pre-computed optimal strategies: however, no direct relation has been shown so far between known neural strategies and the strategies resulting from the Safe Brachistochrone solutions. Figure 1. Conceptual scheme of a variable impedance actuation system. To change the impedance Z = F/v of the mechanism during the execution of a task, we ca act on the three impedance parameters K, D, N. Figure 2. The intuitive behaviour of VIA in a 1-DOF rest-to-rest task. For instance, Figure 1 and Figure 2 show respectively conceptual sketch of a variable impedance actuation system, and a classical velocity profile of a rest-to-rest task for a joint. At a rather intuitive level, it would be desirable that the joint have low impedance in the high velocity phase, so as to minimize the injury risks. On the other hand, it would seem appropriate to have high impedance in the early accelerating phase to put the link in motion swiftly, and in the final deceleration, to minimize oscillations. In this sense, compact mechatronic actuators with variable mechanical impedance will be designed and realized allowing a large range of impedance variation, optimizing both their velocity and stiffness range. In Figure 3 it is reported a prototype of such actuators, which consists of two independently controlled brushless DC motors, which are connected to the joint shaft by a timing belt, tensioned by elastic elements. A particular research effort will be to optimize such elements to maximize the reflected torque at the joint shaft in the stiff phases, along with optimizing the allowed interval for impedance variation. MUR - BANDO * MODELLO B * - 9 -

10 Figure 3. First protype developed at UNIPI of a Variable Stiffness Actuator VSA-I and its functioning principle. The VIA concept can be realized though different arrangements (e.g. parallel and distributed macro-mini actuation, antagonistic actuation schemes, etc.). There are many open questions concerning the optimal co-design of VIA actuators; antagonistic actuation can be realized by two equally powerful motors, by an asymmetric arrangement, or by introducing an elastic cross-coupling between the two antagonistic actuators. A co-design optimization approach, using adequate metrics of safety and performance, will be used. UNIPI work will start with studies on one degree-of-freedom actuation mechanisms. The goal is to develop a compact, self-contained component integrating motor, gear reduction, and VIA mechanism. The component will have the external appearance of a conventional electrical motor/gearbox unit, with the additional feature of offering variability of the stiffness at the output shaft. Alternatively, variable damping or, more generally, impedance at the output shaft will be realized. The component is intended for general-purpose use in machines for physical human-robot interaction; however, other potential applications are envisaged, e.g. in efficient mechanisms for intermittent actuation, where variable mechanical energy-storage elements are of importance (e.g., mechanisms for legged locomotion). UNIPI work will prosecute with the design of integrated VIA systems for multi-degree of freedom devices i.e. robot arms. When moving from one degree of freedom to multi-degree of freedom joint, additional challenges appear. Defining safety and performance metrics in terms of arm design parameters (link dimensions, velocities, inertias, etc.) is still an open problem. For instance, coupled joints, combining two or three degrees of freedom (as for the human shoulder) are imaginable as an alternative to today&#39;s serial sequence of 1DOF joints. Redundant or cross-coupled arrangements of antagonist actuators (as used in the human arm) can also be considered to maximize the safety-performance trade-off. 2) Expected results related to the planning of robot movements (PLAN) The optimal planning of both velocity of the moving parts of the machine and of its mechanical impedance, has been recently introduced in [16] to guarantee safety and performance of very simple (i.e. 1-DOF) variable impedance mechanisms conceived to operate in close contact with humans. In this work it is introduced the Safe Brachistochrone, that is the solution to the following problem: "For a mechanism with total inertia and actuator limits given, find the minimum time necessary to move between two fixed configurations such that at any instant during the motion an unexpected impact with the device would produce a injury severity index below safety levels". This problem will be generalized to n-dof, considering general and complex structures operating with safety and performance in anthropic environments. It must be noticed that the Safe Brachistochrone is a useful optimal control tool able to solve the safety/performance trade-off in case of point-to-point trajectories, but, due to computational complexity, the effectiveness decreases if it is adopted on-line and in presence of general motions. On-line optimal, or sub-optimal, algorithms for the planning of impedance with respect to joint shaft velocity for complex manipulation systems will be conceived and implemented in embedded controllers whose reliability and effectiveness in both performance and safety will be proved experimentally. UNIPI aims at the development of a real-time procedure that adapts on-line a manipulator trajectory in a context where the robot is in close proximity of a person, called Reactive Planning. Not only the trajectory but also the velocity profile should be adapted in real-time. 3) Expected results related to control systems for safety and accuracy (CONT) State-of-art control algorithms will be characterized and rethought the CONT framework. To guarantee safety and performance, also in presence of uncertainties in constructive parameters, adaptive control techniques will be investigated. Indeed the dynamic control of tunable compliant arms inherits many of the problems with the control of flexible arms, but they can only partially exploit solutions provided in that field. A key difference is the presence of essential non-linearities in the model of VIA mechanisms, which obviously make control harder. This is particularly true when an exact model of the system parameters is not available, and adaptation is therefore necessary. The dynamics of our prototype called VSA, result where IR and IJ are, respectively, the DC motors and link rotary inertias, D is the (small) axial damping coefficient, q1 q2 qj are the rotors and link angular positions, 12, J1 and J2 are the torques generated on the pulleys by the three springs, e collects external disturbances acting on the link, and 1, 2 are the control torques acting on the two motors. The pursued control task is to regulate the transmission stiffness and the joint shaft position qj. An important control objective is to guarantee that arbitrary trajectories of the end-effector can be followed while stiffness is controlled to desired values, without the two specifications interfering with each other (decoupled control). Control design will be based on suitable, possibly simplified, dynamic models of variable impedance robot devices, covering first the single-dof case and then the multiple (most likely, three) dof case. Since different passively safe mechanical designs are possible, a preliminary investigation will be conducted on transformations of the dynamic models so as to check whether a common "canonical" model structure can be found. In a first operative condition, it will be assumed that the planned time evolution of joint stiffness is actually realized during robot motion (in other words, stiffness variations are programmed and executed in an open-loop fashion). The controller has to take into account these stiffness variations for the accurate tracking of desired reference trajectories. Later on, the simultaneous feedback control of motion and stiffness will be addressed by following an input-output decoupling approach. This conveniently allows specifying a desired error transient for each of the controlled (position and stiffness) outputs in an independent and linear way. Control schemes should use only the available sensors of the specific device. To be able to test and evaluate the developed motion planning algorithms (PLAN) and the developed control algorithms (CONT) the resulting best algorithms will be integrated in the prototypical framework developed in MECC. The first phase of validation for the different solutions proposed and determined will be carried out via simulations. Investigation can be done for different situations happening in human-robot interacting tasks both during normal operations, and in case of software/hardware failures. In simulation, the manipulation system can be easily decomposed into simple sub-systems. They can be simulated with reasonable models in worst case failure situations with high flexibility. As a second step an experiment design will be carried out based on accepted standards with defined safety and performance measures for each of the sub-systems and for the overall system in phri environment. This will include the development of impact jigs for safety evaluation and the accomplishment of some calibration experiments to test the accuracy of the experimental and measurement apparatus. Benchmarking tests and analysis will be done on an already available manipulator and on prototypes (e.g., the UNIPI SoftArm) for the intended phri applications. Project Schedule Schematically, the research activities will be carried out according to the following four phases: Phase 1 (Duration 6 months, Cost Euro) MUR - BANDO * MODELLO B *

11 [Ph1a] Analysis of the state-of-art focused to both control and design methodologies conceived to guarantee safety and performance of machines during physical Human-Robot Interaction tasks. Phase 2 (Duration 6 months, Cost Euro) [Ph2a] Extension of the optimal control planning of trajectories in both velocity and impedance to variable impedance n-degrees-of-freedom robot arms; [Ph2b] Analytical study concerning the design of compact variable impedance actuators with optimized both performance and allowed range of impedance variation. Phase 3 (Duration 6 months, Cost Euro) [Ph3a] Design and realization of prototypes of variable impedance actuators; [Ph3b] Design and realization of a n-degrees-of-freedom variable impedance robot arm. Phase 4 (Duration 6 months, Cost Euro) [Ph4a] Experimental validation of the safety and performance characteristics of the n-degrees-of-freedom robot arm realized in the phase [Ph3b] during phri tasks. Short description of the Research Unit The Robotics Group of the Interdepartmental Research Centre "Enrico Piaggio" is led by Prof. Antonio Bicchi. The research focuses on the development of methodologies and technologies for robotics and embedded automation at large. The group has a longstanding experience in contracting with international, EC, and national funding agencies, as well as with industrial partners. Current EC-funded projects include TOUCH-HAPSYS (5FP, on haptic science and technology); RECSYS (5FP, on embedded control systems); RUNES (IP 6FP, on networked embedded systems); HYCON (N.o.E 6FP, on hybrid control). Main scientific contributions have been in the analysis and control of autonomous manipulation systems and vehicles. Traditional topics of investigation are the study of hands and haptics - both in humans and in robots. The other major prongs of the current activity are the investigation of advanced control methods for complex systems, in particular addressing nonlinear systems and mixed logical-dynamical systems, and the theoretical study, design, development, and control of variable-impedance, intrinsically safe, high-performance actuation systems for machines involving physical Human-Robot Interaction Descrizione delle attrezzature già disponibili ed utilizzabili per la ricerca proposta Testo italiano Nessuna Testo inglese Nessuna 15 - Descrizione delle Grandi attrezzature da acquisire (GA) Testo italiano Nessuna Testo inglese Nessuna 16 - Mesi persona complessivi dedicati al Progetto Numero Impegno 1 anno Impegno 2 anno Totale mesi persona Componenti della sede dell'unità di Ricerca Componenti di altre Università/Enti vigilati 0 Titolari di assegni di ricerca 0 Titolari di borse Dottorato Post-dottorato Scuola di Specializzazione 0 Personale a contratto Assegnisti 0 Borsisti Altre tipologie 0 Dottorati a carico del PRIN da destinare a questo specifico progetto Altro personale 0 TOTALE Costo complessivo del Progetto dell'unità articolato per voci Voce di spesa Spesa in Euro Descrizione dettagliata (in italiano) Descrizione dettagliata (in inglese) Materiale inventariabile Braccio e Mano Robotica Cost for Robot Arm and Hand MUR - BANDO * MODELLO B *

12 Grandi Attrezzature 0 Materiale di consumo e funzionamento Spese dipartimentali e Beni consumo per l'ufficio Spese per calcolo ed elaborazione dati Personale a contratto Dottorati a carico del PRIN da destinare a questo specifico progetto Servizi esterni Missioni Assegnisti o borsisti di Ricerca e/o supporto Dottorati e post-dottorati Viaggi per coordinamento e divulgazione dei risultati Departmental and University Costs Office supplies and costs Doctoral and post-doctoral fellowships Travel and subsistence for conferences Pubblicazioni Partecipazione / Organizzazione convegni Registrazione Conferenze Costs for Conference fees Altro TOTALE Prospetto finanziario dell'unità di Ricerca Voce di spesa Importo in Euro a.1) finanziamenti diretti, disponibili da parte di Università/Enti vigilati di appartenenza dei ricercatori dell'unità operativa a.2) finanziamenti diretti acquisibili con certezza da parte di Università/Enti vigilati di appartenenza dei ricercatori dell'unità operativa b.1) finanziamenti diretti disponibili messi a disposizione da parte di soggetti esterni b.2) finanziamenti diretti acquisibili con certezza, messi a disposizione da parte di soggetti esterni c) cofinanziamento richiesto al MUR Totale Certifico la dichiarata disponibilità e l'utilizzabilità dei finanziamenti a.1) a.2) b.1) b.2) SI Firma (per la copia da depositare presso l'ateneo e per l'assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i programmi finanziati e la loro elaborazione necessaria alle valutazioni; D. Lgs, 196 del sulla "Tutela dei dati personali") Firma Data 24/10/2007 ore 18:37 MUR - BANDO * MODELLO B *

13 ALLEGATO Ministero dell, Università e della Ricerca Curricula scientifici dei componenti il gruppo di ricerca Testo italiano 1. GRIOLI Giorgio Giorgio Grioli ha conseguito la Laurea in Ingegneria Informatica nel Dicembre 2002 e la Laurea Specialistica in Ingengeria dell'automazione nel Dicembre 2005, entrambe presso la Facoltà di Ingegneria dell'università di Pisa. Il suo lavoro di tesi di laurea specialistica si intitola "Studio sperimentale mediante interfacce visuo-aptiche su modelli computazionali di stima ottima nella integrazione di stimoli visivi e tattili nell'uomo". Attualmente e studente del dottorato in Automazione Robotica e Bioingegneria presso la Facoltà di Ingegneria dell'università di Pisa. I suoi principali interessi di ricerca in ambito scientifico sono: Progettazione e Controllo di giunti e attuatori robotici intrinsecamente sicuri per applicazioni di interazione fisica tra uomini e robot. Progettazione e Programmazione di ambienti di Realtà Virtuale. Progettazione e Controllo di Interfacce Aptiche. pubblicazioni non disponibili 2. LANDI Alberto Nato a La Spezia il 13 Agosto 1960, si è laureato con lode in Ingegneria Elettrotecnica nel 1986 presso l'università di Genova. Vincitore del concorso per il Dottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica presso l'università di Pisa, ha conseguito il titolo nel E' attualmente professore ordinario del raggruppamento K04X - Automatica, in servizio presso il Dipartimento di Sistemi Elettrici e Automazione della Facoltà di Ingegneria dell'università di Pisa. Insegna i corsi di Fondamenti di Automatica per allievi Elettronici, Biomedici ed Elettrici, di Cibernetica Fisiologica per allievi della Laurea Specialistica in Ingegneria dell'automazione e in Ingegneria Biomedica e di Controlli di Processi per allievi della Laurea Specialistica in Ingegneria dell'automazione. Dal 1988 al 2000 è stato responsabile locale del progetto MIUR "Asservimento visivo per sistemi di manipolazione e navigazione". Dal 2004 al 2006 è stato responsabile nazionale del progetto MIUR "Miglioramento della captazione nei treni ad alta velocità mediante sviluppo di pantografi attivi e di tecniche di diagnostica non invasiva". Per gli studi nel settore ferroviario ha ricevuto premi nel 2002 dal Collegio degli Ingegneri Ferroviari Italiani, nel 2004 e nel 2007 dall'imeche di Londra. I suoi interessi principali di ricerca riguardano attualmente lo studio di modelli matematici di sistemi fisiologici e lo studio di metodi avanzati per la classificazione e il 'clustering' di dati e segnali. E' autore di più di 100 articoli pubblicati in riviste e/o atti di Convegni internazionali. Pubblicazioni: A.BALESTRINO, D.CORSANINI, LANDI A., L.SANI. (2006). Circle-based Criteria for Performance Evaluation of Controlled DC-DC Switching Converters. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS. vol. 53, pp ISSN: LANDI A., L. MENCONI, L. SANI. (2006). Hough transform and thermo-vision for monitoring pantograph-catenary system. PROCEEDINGS OF THE INSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS. PART F, JOURNAL OF RAIL AND RAPID TRANSIT. vol. 220, pp ISSN: BARMADA S., LANDI A., PAPI M., SANI L. (2003). Wavelet Multiresolution Analysis for Monitoring the Occurrence of Arcing on Overhead Electrified Railways. PROCEEDINGS OF THE INSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS. PART F, JOURNAL OF RAIL AND RAPID TRANSIT. vol. 217, pp ISSN: J.Alcock Memorial Prize 2003 Award. BALESTRINO A., LANDI A., SANI L. (2002). Complete root contours for circle criteria and relay autotune implementation. IEEE CONTROL SYSTEMS MAGAZINE. vol. 22, pp A.BALESTRINO, LANDI A., M.OULD-ZMIRLI, L.SANI. (2001). Automatic nonlinear auto-tuning method for Hammerstein modeling of electrical drives. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS. vol. 48, pp ISSN: A.BALESTRINO, LANDI A., L.SANI. (2000). Parameter identification of continuous systems with multiple input time delays via modulating functions. IEE PROCEEDINGS. CONTROL THEORY AND APPLICATIONS. vol. 147, pp ISSN: PALLOTTINO Lucia Lucia Pallottino si è laureata in Matematica presso il Dipartimento di Matematica de l'università di Pisa nel Ha conseguito il titolo di Dottore di Ricerca in Robotica e Automazione Industriale presso il Centro ``E. Piaggio'' e il D.S.E.A. della Facoltà di Ingegneria, nel Gennaio E' stata Visiting Scholar presso l'm.i.t., (dall'ottobre del 2000 sino al Maggio del 2001) nel Laboratory for Information and Decision Systems (LIDS). E' stata Visiting Researcher presso UCLA, (nel Novembre e Dicembre del 2004) nel Mechanical and Aerospace Engineering Department. Attualmente è borsista Post-Doc presso ilcentro ``E. Piaggio'' e nell'ottobre 2007 è risultata vincitrice di un posto di Ricercatore nel settore Ing-Inf 04 presso la Facoltà di Ingegeria dell'università di Pisa. I suoi interessi scientifici nel settore della robotica riguardano la pianificazione del moto, il controllo di veicolo anolonomi, il controllo ottimo, il controllo del traffico aereo e il controllo quantizzato. Pubblicazioni: A. BICCHI, A. DANESI, G. DINI, S. LA PORTA, PALLOTTINO L., I. M. SAVINO, R. SCHIAVI. (2007). A safe and secure component-based platform for heterogeneous multi-robot systems. IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION MAGAZINE. ISSN: In press. PALLOTTINO L., V. G. SCORDIO, E. FRAZZOLI, BICCHI A. (2007). Decentralized cooperative policy for conflict resolution in multi-vehicle systems. IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS. ISSN: A. BICCHI, A. CAITI, PALLOTTINO L., AND G. TONIETTI. (2005). On-line Robotic Experiments for Tele-Education at the University of Pisa. JOURNAL OF ROBOTIC SYSTEMS. vol. 22, pp ISSN: PALLOTTINO L., E. FERON, A. BICCHI. (2002). Conflict Resolution Problems for Air Traffic Management Systems Solved with Mixed Integer Programming. IEEE TRANSACTIONS ON INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS. vol. 3, pp ISSN: A. BICCHI, PALLOTTINO L. (2000). On optimal cooperative conflict resolution for air traffic management systems. IEEE TRANSACTIONS ON INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS. vol. 1, pp ISSN: MUR - BANDO * MODELLO B *

14 S. PANCANTI, L. LEONARDI, PALLOTTINO L., A. BICCHI. (2002). Optimal control of quantized input systems. In: Hybrid Systems: Computation and Control volume LNCS 2289 of Lecture Notes in Computer Science. (pp ). HEIDELBERG: Springer-Verlag (GERMANY). A. BICCHI, PALLOTTINO L. (2000). Optimal planning for coordinated vehicles with bounded curvature. In: Algorithmic and Computational Robotics: New Directions. (vol. 1, pp ). The Workshop on Algorithmic Foundations of Robotics. : A K Peters. A. BALESTRINO, PALLOTTINO L. (2007). Higher order method for non linear equations resolution: application to mobile robot control. Proc. European Control Conference. July. A. FAGIOLINI, G. VALENTI, PALLOTTINO L., G. DINI, A. BICCHI. (2007). Decentralized Intrusion Detection for Secure Cooperative Multi-Agent Systems. Proc. IEEE Int. Conf. on Decision and Control. P. ALRIKSSON, J. NORDH, K.-E. ARZEN, A. BICCHI, A. DANESI, R. SCHIAVI, PALLOTTINO L. (2007). A Component-Based Approach to Localization and Collision Avoidance for Mobile Multi-Agent Systems. Proc. European Control Conference (ECC),. July. (pp ). PALLOTTINO L., A. BICCHI. (2007). A Dynamic Programming Approach to Optimal Planning for Vehicles with Trailers. Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation. (pp ). PALLOTTINO L., A. BICCHI, E. FRAZZOLI. (2007). Probabilistic verification of decentralized multi-agent control strategies: a case study in conflict avoidance. American Control Conference (ACC). (pp ). A. DANESI, A. FAGIOLINI, I. SAVINO, PALLOTTINO L., R. SCHIAVI, G. DINI, AND A. BICCHI. (2006). A scalable platform for safe and secure decentralized traffic management of multiagent mobile systems. ACM Workshop on Real-World Wireless Sensor Networks. A. BALESTRINO, A. BICCHI, A. CAITI, T. CECCHINI, PALLOTTINO L., A. PISANI, G. TONIETTI. (2004). A Robotic Set-Up with Remote Access for ``Pick and Place'' Operations Under Uncertainty Conditions. E-learning and Virtual and Remote Laboratories, Proc. VIRTUAL-LAB (pp ). PALLOTTINO L., V. G. SCORDIO, A. BICCHI. (2004). Decentralized Cooperative Conflict Resolution Among Multiple Autonomous Mobile Agents. Proc. IEEE Int. Conf. on Decision and Control. (pp ). S. PANCANTI, PALLOTTINO L., D. SALVADORINI, A. BICCHI. (2004). Motion Planning through Symbols and Lattices. Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation. (pp ). PALLOTTINO L., A. BICCHI, S. PANCANTI. (2002). Safety of a decentralized scheme for Free-Flight ATMS using Mixed Integer Linear Programming. American Control Conference. (pp ). A. BICCHI, PALLOTTINO L., M. BRAY, P. PERDOMI. (2001). Randomized parallel simulation of constrained multibody systems for VR/haptic applications. Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation. (vol. 3, pp ). 4. SCHIAVI Riccardo Riccardo Schiavi ha ricevuto la Laurea in Ingegneria Informatica nel 2004 dall'università di Pisa. Attualmente è studente del corso di dottorato in Robotica Automatica e Bioingegneria presso Centro Interdipartimentale di Ricerca ``E. Piaggio'' ed il Dipartimento di Sistemi Elettrici e Automazione. La sua ricerca riguarda principalmente lo sviluppo ed il controllo di attuatori per l'iterazione fisica tra robot ed operatori e sistemi embedded. Pubblicazioni: A. BICCHI, A. DANESI, G. DINI, S. LA PORTA, I. M. SAVINO L. PALLOTTINO, SCHIAVI R. (2007). A safe and secure component-based platform for heterogeneous multi-robot systems. IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION MAGAZINE. ISSN: G. BOCCADAMO, SCHIAVI R., S. SEN, G. TONIETTI, A. BICCHI. (2006). Optimization and Fail-Safety Analysis of Antagonistic Actuation for phri. In: IN HENRIK I. CHRISTENSEN. Tracts in Advanced Robotics. (vol. 22, pp ). BERLIN: Springer / Heidelberg (GERMANY). G. TONIETTI, SCHIAVI R., A. BICCHI. (2006). G. Tonietti, R. Schiavi, and A. Bicchi. Optimal Mechanical/Control Design for Safe and Fast Robotics. In Oussama Khatib Marcelo H. Ang, editor, Experimental Robotics IX: The 9th International Symposium on Experimental Robotics. In: H. ANG. SpringerTracts in Advanced Robotics. (vol. 21, pp ). BERLIN / HEIDELBERG: Springer (GERMANY). P. ALRIKSSON, J. NORDH, K.-E. RZN, A. BICCHI, A. DANESI, SCHIAVI R., L. PALLOTTINO. (2007). A Component-Based Approach to Localization and Collision Avoidance for Mobile Multi-Agent Systems. European Control Conference Luglio (pp ). A. DANESI, A. FAGIOLINI, I. SAVINO, L. PALLOTTINO, SCHIAVI R., G. DINI, A. BICCHI. (2006). A scalable platform for safe and secure decentralized traffic management of multiagent mobile systems. Real-World Wireless Sensor Networks - REALWSN' Giugno A. DANESI, I. M. SAVINO, SCHIAVI R., A. BICCHI, G. DINI. (2006). Security and Advanced Control Issues in a Robotic Platform for Monitoring and Relief. European Workshop on Wireless Sensor Networks Febbraio February 13-15, ETH Zurich, (pdf) (abstract) (bibtex entry). A. ALBU-SCHAFFER, A. BICCHI, G. BOCCADAMO, R. CHATILA, A. DE LUCA, A. DE SANTIS, G. GIRALT, G. HIRZINGER, V. LIPPIELLO, R. MATTONE, SCHIAVI R., B. SICILIANO, G. TONIETTI, L. VILLANI. (2005). Physical Human-Robot Interaction in Anthropic Domains: Safety and Dependability. 4th IARP/IEEE-EURON Workshop on Technical Challenges for Dependable Robots in Human Environments. Giugno In Proc. 4th IARP/IEEE-EURON Workshop on Technical Challenges for Dependable Robots in Human Environments. G. TONIETTI, SCHIAVI R., A. BICCHI. (2005). Design and Control of a Variable Stiffness Actuator for Safe and Fast Physical Human/Robot Interaction. IEEE International Conference on Robotics and Automation - ICRA Aprile (pp ). A. BICCHI, G. TONIETTI, SCHIAVI R. (2004). Safe and Fast Actuators for Machines Interacting with Humans. 1st Technical Exhibition Based Conference on Robotics and Automation - TExCRA Novembre WEILEMANN BELO Felipe Augusto Felipe A. W. Belo ha ricevuto il titolo di Laurea in Ingegneria del Controllo e Automazione nel 2003 e il titolo di Master in Ingegneria Elettrica nel 2006 presso la Pontificia Università Cattolica (PUC-Rio), Brasile. Attualmente, frequenta il corso di dottorato presso l'università degli Studi di Pisa, Italia, da gennaio I suoi interessi scientifici sono nell'ambito della robotica mobile, pianificazione del movimento, "computer vision" e intelligenza artificiale. Ha lavorato sul "Visual SLAM" e attualmente lavora su problemi di visione monoculare. Pubblicazioni: SUJAN V.A, MEGGIOLARO M.A, WEILEMANN BELO F. (2007). Mobile Robot Simultaneous Localization and Mapping Using Low Cost Vision Sensors. In: STAR (Springer Tracts in Advanced Robotics),. SUJAN V.A, MEGGIOLARO M.A, WEILEMANN BELO F. (2006). Information Based Indoor Environment Robotic Exploration and Modeling Using 2-D Images and Graphs. AUTONOMOUS ROBOTS. vol. 21, pp ISSN: MUR - BANDO * MODELLO B *

15 SUJAN V.A, MEGGIOLARO M.A, WEILEMANN BELO F. (2006). Mobile Robot Simultaneous Localization and Mapping Using Low Cost Vision Sensors. 10th International Symposium on Experimental Robotics (ISER '06). SUJAN V, WEILEMANN BELO F., MEGGIOLARO M. A. (2005). Mobile Robot Localization and Mapping Using Space Invariant Transforms. 18 Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica (COBEM). SUJAN V.A, WEILEMANN BELO F., MEGGIOLARO M. (2006). Mobile Robot Localization and Mapping Using Space Invariant Transforms. In: EDITORS P.E. MIYAGI, O. HORIKAWA, E. VILLANI. ABCM Symposium Series in Mechatronics. (vol. 2, pp ). ISBN: : (BRAZIL). 6. ZINI Giancarlo Il Prof. Zini è professore Ordinario del settore scientifico disciplinare ING-INF04, presso il Dipartimento di Sistemi Elettrici e Automazione presso la Facoltà di Ingegneria della Università di Pisa. Pubblicazioni: S. BARSALI, M. CERAOLO, R. GIGLIOLI, ZINI G. (2002). Experiences in the use of neural networks for short-term small-load forecasting. PMAPS 2002, 7th international conference on "Probabilistic Methods Applied to Power Systems",. (vol. 1, pp ). M.CERAOLO, R. GIGLIOLI, ZINI G. (1999). Previsione del carico di utenze medio-piccole mediante l'uso di reti neurali. GIE '99. (vol. 1). Testo inglese 1. GRIOLI Giorgio Giorgio Grioli obtained the "Laurea" degree (bachelor degree) in Computer Science Engineering in December 2002 and "Laurea Specialistica" degree (Master Degree) in Automation Engineering in December 2005, both from the Engineering Faculty of University of Pisa. His Master degree thesys work was titled "Studio sperimentale mediante interfacce visuo-aptiche su modelli computazionali di stima ottima nella integrazione di stimoli visivi e tattili nell'uomo" ("Experimental study trough visuo-haptic interfaces, about computational models for optimal estimation in the integration of visual and tactile stimuli in humans"). He is actually a PhD student in the PhD course in Automation Robotics and Bio-engineering, at the Engineering Faculty of University of Pisa. His main research interests span over: Design and Control of intrisically safe robotic joints and actuators for physical human-robot interaction. Design and Implementation of Virtual Reality Environments. Design and Control of Haptic interfaces. 2. LANDI Alberto Alberto Landi was born in La Spezia, on August 13, He obtained the Laurea degree in Electrical Engineering with honors from the University of Genoa in 1986 and the PHD Degree in Electrical Engineering from the University of Pisa in He is currently full professor of Automatic Control, teaching courses of Fundaments of Automatic Control (undergraduate students in Electronical, Electrical and Biomedical engineering) Process Control (graduate students in Automation engineering) and Physiological Control Systems (graduate students in Biomedical engineering), where feedback theory is related to human physiologic dynamics. From 1998 to 2000 he was Coordinator of the Pisa unit of the national Project "Visual servoing for manipulator and navigation systems". From 2004 to 2006 he was Principal Investigator of the national research Project "Improvement of current transmission for high speed trains by means of active pantographs and non invasive diagnostics". For his studies on the signal analysis and monitoring of overhead contact in pantograph-catenary systems he was awarded from Italian Institution of Railways Engineers (CIFI) in 2002 and in 2004 and in 2007 from the Railway Division of the Institution of Mechanical Engineers of London. His current research interests include, among others, mathematical models of physiological systems as well as the study of methods for signal and data classification and clustering. He has coauthored over 100 published technical papers. Publications: A.BALESTRINO, D.CORSANINI, LANDI A., L.SANI. (2006). Circle-based Criteria for Performance Evaluation of Controlled DC-DC Switching Converters. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS. vol. 53, pp ISSN: LANDI A., L. MENCONI, L. SANI. (2006). Hough transform and thermo-vision for monitoring pantograph-catenary system. PROCEEDINGS OF THE INSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS. PART F, JOURNAL OF RAIL AND RAPID TRANSIT. vol. 220, pp ISSN: BARMADA S., LANDI A., PAPI M., SANI L. (2003). Wavelet Multiresolution Analysis for Monitoring the Occurrence of Arcing on Overhead Electrified Railways. PROCEEDINGS OF THE INSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS. PART F, JOURNAL OF RAIL AND RAPID TRANSIT. vol. 217, pp ISSN: J.Alcock Memorial Prize 2003 Award. BALESTRINO A., LANDI A., SANI L. (2002). Complete root contours for circle criteria and relay autotune implementation. IEEE CONTROL SYSTEMS MAGAZINE. vol. 22, pp A.BALESTRINO, LANDI A., M.OULD-ZMIRLI, L.SANI. (2001). Automatic nonlinear auto-tuning method for Hammerstein modeling of electrical drives. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS. vol. 48, pp ISSN: A.BALESTRINO, LANDI A., L.SANI. (2000). Parameter identification of continuous systems with multiple input time delays via modulating functions. IEE PROCEEDINGS. CONTROL THEORY AND APPLICATIONS. vol. 147, pp ISSN: PALLOTTINO Lucia Lucia Pallottino received the ''Laurea'' degree in Math from the Department of Mathematics in the University of Pisa in She got a Doctoral degree in Robotics and Industrial Automation at Centro ``E. Piaggio'' and D.S.E.A. at the faculty of Engineering, in January She has been Visiting Scholar in M.I.T., (from October 2000 until May 2001) in the Laboratory for Information and Decision Systems (LIDS). She has been Visiting Researcher in UCLA, (in November and December 2004) in the Mechanical and Aerospace Engineering Department. MUR - BANDO * MODELLO B *

16 She is currently a researcher in the Interdepartmental Research Center ``E. Piaggio'' in the University of Pisa. Her main research interests within Robotics are in motion planning and control for nonholonomic vehicles, optimal control, Air Traffic Management Systems and quantized control. Publications: A. BICCHI, A. DANESI, G. DINI, S. LA PORTA, PALLOTTINO L., I. M. SAVINO, R. SCHIAVI. (2007). A safe and secure component-based platform for heterogeneous multi-robot systems. IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION MAGAZINE. ISSN: In press. PALLOTTINO L., V. G. SCORDIO, E. FRAZZOLI, BICCHI A. (2007). Decentralized cooperative policy for conflict resolution in multi-vehicle systems. IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS. ISSN: A. BICCHI, A. CAITI, PALLOTTINO L., AND G. TONIETTI. (2005). On-line Robotic Experiments for Tele-Education at the University of Pisa. JOURNAL OF ROBOTIC SYSTEMS. vol. 22, pp ISSN: PALLOTTINO L., E. FERON, A. BICCHI. (2002). Conflict Resolution Problems for Air Traffic Management Systems Solved with Mixed Integer Programming. IEEE TRANSACTIONS ON INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS. vol. 3, pp ISSN: A. BICCHI, PALLOTTINO L. (2000). On optimal cooperative conflict resolution for air traffic management systems. IEEE TRANSACTIONS ON INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS. vol. 1, pp ISSN: S. PANCANTI, L. LEONARDI, PALLOTTINO L., A. BICCHI. (2002). Optimal control of quantized input systems. In: Hybrid Systems: Computation and Control volume LNCS 2289 of Lecture Notes in Computer Science. (pp ). HEIDELBERG: Springer-Verlag (GERMANY). A. BICCHI, PALLOTTINO L. (2000). Optimal planning for coordinated vehicles with bounded curvature. In: Algorithmic and Computational Robotics: New Directions. (vol. 1, pp ). The Workshop on Algorithmic Foundations of Robotics. : A K Peters. A. BALESTRINO, PALLOTTINO L. (2007). Higher order method for non linear equations resolution: application to mobile robot control. Proc. European Control Conference. July. A. FAGIOLINI, G. VALENTI, PALLOTTINO L., G. DINI, A. BICCHI. (2007). Decentralized Intrusion Detection for Secure Cooperative Multi-Agent Systems. Proc. IEEE Int. Conf. on Decision and Control. P. ALRIKSSON, J. NORDH, K.-E. ARZEN, A. BICCHI, A. DANESI, R. SCHIAVI, PALLOTTINO L. (2007). A Component-Based Approach to Localization and Collision Avoidance for Mobile Multi-Agent Systems. Proc. European Control Conference (ECC),. July. (pp ). PALLOTTINO L., A. BICCHI. (2007). A Dynamic Programming Approach to Optimal Planning for Vehicles with Trailers. Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation. (pp ). PALLOTTINO L., A. BICCHI, E. FRAZZOLI. (2007). Probabilistic verification of decentralized multi-agent control strategies: a case study in conflict avoidance. American Control Conference (ACC). (pp ). A. DANESI, A. FAGIOLINI, I. SAVINO, PALLOTTINO L., R. SCHIAVI, G. DINI, AND A. BICCHI. (2006). A scalable platform for safe and secure decentralized traffic management of multiagent mobile systems. ACM Workshop on Real-World Wireless Sensor Networks. A. BALESTRINO, A. BICCHI, A. CAITI, T. CECCHINI, PALLOTTINO L., A. PISANI, G. TONIETTI. (2004). A Robotic Set-Up with Remote Access for ``Pick and Place'' Operations Under Uncertainty Conditions. E-learning and Virtual and Remote Laboratories, Proc. VIRTUAL-LAB (pp ). PALLOTTINO L., V. G. SCORDIO, A. BICCHI. (2004). Decentralized Cooperative Conflict Resolution Among Multiple Autonomous Mobile Agents. Proc. IEEE Int. Conf. on Decision and Control. (pp ). S. PANCANTI, PALLOTTINO L., D. SALVADORINI, A. BICCHI. (2004). Motion Planning through Symbols and Lattices. Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation. (pp ). PALLOTTINO L., A. BICCHI, S. PANCANTI. (2002). Safety of a decentralized scheme for Free-Flight ATMS using Mixed Integer Linear Programming. American Control Conference. (pp ). A. BICCHI, PALLOTTINO L., M. BRAY, P. PERDOMI. (2001). Randomized parallel simulation of constrained multibody systems for VR/haptic applications. Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation. (vol. 3, pp ). 4. SCHIAVI Riccardo Riccardo Schiavi received the Laurea Degree in computer science in 2004 from the Faculty of Engineering, University of Pisa. Currently, he is a Ph.D. student in robotics automation and bioengineering at the Centro Interdipartimentale di Ricerca ``E. Piaggio'' and at the Dipartimento di Sistemi Elettrici e Automazione. His research is involved on the development and control of actuators for physical human robot interaction and embedded systems. Publications: A. BICCHI, A. DANESI, G. DINI, S. LA PORTA, I. M. SAVINO L. PALLOTTINO, SCHIAVI R. (2007). A safe and secure component-based platform for heterogeneous multi-robot systems. IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION MAGAZINE. ISSN: G. BOCCADAMO, SCHIAVI R., S. SEN, G. TONIETTI, A. BICCHI. (2006). Optimization and Fail-Safety Analysis of Antagonistic Actuation for phri. In: IN HENRIK I. CHRISTENSEN. Tracts in Advanced Robotics. (vol. 22, pp ). BERLIN: Springer / Heidelberg (GERMANY). G. TONIETTI, SCHIAVI R., A. BICCHI. (2006). G. Tonietti, R. Schiavi, and A. Bicchi. Optimal Mechanical/Control Design for Safe and Fast Robotics. In Oussama Khatib Marcelo H. Ang, editor, Experimental Robotics IX: The 9th International Symposium on Experimental Robotics. In: H. ANG. SpringerTracts in Advanced Robotics. (vol. 21, pp ). BERLIN / HEIDELBERG: Springer (GERMANY). P. ALRIKSSON, J. NORDH, K.-E. RZN, A. BICCHI, A. DANESI, SCHIAVI R., L. PALLOTTINO. (2007). A Component-Based Approach to Localization and Collision Avoidance for Mobile Multi-Agent Systems. European Control Conference Luglio (pp ). A. DANESI, A. FAGIOLINI, I. SAVINO, L. PALLOTTINO, SCHIAVI R., G. DINI, A. BICCHI. (2006). A scalable platform for safe and secure decentralized traffic management of multiagent mobile systems. Real-World Wireless Sensor Networks - REALWSN' Giugno A. DANESI, I. M. SAVINO, SCHIAVI R., A. BICCHI, G. DINI. (2006). Security and Advanced Control Issues in a Robotic Platform for Monitoring and Relief. European Workshop on Wireless Sensor Networks Febbraio February 13-15, ETH Zurich, (pdf) (abstract) (bibtex entry). A. ALBU-SCHAFFER, A. BICCHI, G. BOCCADAMO, R. CHATILA, A. DE LUCA, A. DE SANTIS, G. GIRALT, G. HIRZINGER, V. LIPPIELLO, R. MATTONE, SCHIAVI R., B. SICILIANO, G. TONIETTI, L. VILLANI. (2005). Physical Human-Robot Interaction in Anthropic Domains: Safety and Dependability. 4th IARP/IEEE-EURON Workshop on Technical Challenges for Dependable Robots in Human Environments. Giugno In Proc. 4th IARP/IEEE-EURON Workshop on Technical Challenges for Dependable Robots in Human Environments. G. TONIETTI, SCHIAVI R., A. BICCHI. (2005). Design and Control of a Variable Stiffness Actuator for Safe and Fast Physical Human/Robot Interaction. IEEE International Conference on Robotics and Automation - ICRA Aprile (pp ). A. BICCHI, G. TONIETTI, SCHIAVI R. (2004). Safe and Fast Actuators for Machines Interacting with Humans. 1st Technical Exhibition Based Conference on Robotics and Automation - TExCRA Novembre MUR - BANDO * MODELLO B *

17 5. WEILEMANN BELO Felipe Augusto Ministero dell, Università e della Ricerca Felipe A. W. Belo received the B.S. degree in Control and Automation Engineering in 2003 and the M.S. degree in Electrical Engineering in 2006, both from the Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro (PUC-Rio), Brazil. He is currently working toward the Ph.D. at Universtà di Studi di Pisa, Italy, since january, He is interested in mobile robotics, control theory, motion planning, computer vision and artificial inteligence. He has done work on Visual SLAM algorithms and is currently working on monocular vision problems. Publications: SUJAN V.A, MEGGIOLARO M.A, WEILEMANN BELO F. (2007). Mobile Robot Simultaneous Localization and Mapping Using Low Cost Vision Sensors. In: STAR (Springer Tracts in Advanced Robotics),. SUJAN V.A, MEGGIOLARO M.A, WEILEMANN BELO F. (2006). Information Based Indoor Environment Robotic Exploration and Modeling Using 2-D Images and Graphs. AUTONOMOUS ROBOTS. vol. 21, pp ISSN: SUJAN V.A, MEGGIOLARO M.A, WEILEMANN BELO F. (2006). Mobile Robot Simultaneous Localization and Mapping Using Low Cost Vision Sensors. 10th International Symposium on Experimental Robotics (ISER '06). SUJAN V, WEILEMANN BELO F., MEGGIOLARO M. A. (2005). Mobile Robot Localization and Mapping Using Space Invariant Transforms. 18 Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica (COBEM). SUJAN V.A, WEILEMANN BELO F., MEGGIOLARO M. (2006). Mobile Robot Localization and Mapping Using Space Invariant Transforms. In: EDITORS P.E. MIYAGI, O. HORIKAWA, E. VILLANI. ABCM Symposium Series in Mechatronics. (vol. 2, pp ). ISBN: : (BRAZIL). 6. ZINI Giancarlo Professor Zini is Full Professor of Automation at the Department of Electrical Systems and Automation, Faculty of Engineering, University of Pisa. Publications: S. BARSALI, M. CERAOLO, R. GIGLIOLI, ZINI G. (2002). Experiences in the use of neural networks for short-term small-load forecasting. PMAPS 2002, 7th international conference on "Probabilistic Methods Applied to Power Systems",. (vol. 1, pp ). M.CERAOLO, R. GIGLIOLI, ZINI G. (1999). Previsione del carico di utenze medio-piccole mediante l'uso di reti neurali. GIE '99. (vol. 1). MUR - BANDO * MODELLO B *

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