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1 ,, Ministero dell Istruzione, dell Università e della Ricerca DIPARTIMENTO PER L'UNIVERSITÀ, L'ALTA FORMAZIONE ARTISTICA, MUSICALE E COREUTICA E PER LA RICERCA SCIENTIFICA E TECNOLOGICA PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (DM n. 30 del 12 febbraio 2004) PROGETTO DI UNA UNITÀ DI RICERCA - MODELLO B Anno prot _ Tipologia del programma di ricerca Interuniversitario Aree scientifico disciplinari Area 09: Ingegneria industriale e dell'informazione (100%) 1.2 Durata del Programma di Ricerca 24 Mesi 1.3 Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca CHIAVERINI STEFANO chiaverini@unicas.it ING-INF/04 - Automatica Università degli Studi di CASSINO Facoltà di INGEGNERIA Dipartimento di AUTOMAZIONE, ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE E MATEMATICA INDUSTRIALE 1.4 Responsabile Scientifico dell'unità di Ricerca CASALINO GIUSEPPE Professore Ordinario 28/10/1949 CSLGPP49R28D969T ING-INF/04 - Automatica Università degli Studi di GENOVA Facoltà di INGEGNERIA Dipartimento di INFORMATICA, SISTEMISTICA E TELEMATICA casalino@dist.unige.it (Prefisso e telefono) (Numero fax) ( ) 1.5 Curriculum scientifico del Responsabile Scientifico dell'unità di Ricerca MIUR - BANDO

2 PARTE I Giuseppe Casalino è attualmente professore ordinario di "Robotica Industriale" presso il Dipartimento di Informatica, Sistemistica e Telematica (DIST) dell'università di Genova e anche docente dell'insegnamento del corso di "Controlli Automatici". Le sue posizioni precedentemente occupate sono state quella di professore ordinario presso l'università di Pisa (cattedra di "Robotica Industriale"), di professore ordinario presso l'università della Calabria (cattedra di "Controlli Automatici") ed originariamente professore associato di "Teoria della Regolazione" presso l'università di Genova. le sue attività di ricerca vengono svolte nel settore della robotica ed automazione, con interessi particolari rivolti a tutti gli aspetti di pianificazione e controllo del moto e delle interazioni nell'ambito di strutture multirobot sensorizzate. Nell'ambito del DIST svolge le funzioni di responsabile del laboratorio di Robotica e Automatica oltre che quelle di direttore del dipatimento. Egli è, ed è stato, il responsabile scientifico di più di sette progetti di ricerca finanziati dalla Comunità Europea, oltre che responsabile di Unità operativa di molti progetti Nazionali finanziati da MIUR, CNR, ENEA e ASI. Egli è autore quasi cento pubblicazioni apparse su riviste e conferenze internazionali Prof. Giuseppe Casalino is currently full professor at the department of Communication, Computer and System Science (DIST) of the University of Genova, holding the chair of "Industrial Robotics" and also teaching the course of "Automatic Control". Previous positions covered were at University of Pisa (full. prof., chair of "Industrial Robotics"), University of Calabria (full. prof., chair of "Automatic Control") and originally at university of Genova (associate prof. of "Multivariable Control Theory" and "Industrial Robotics"). His research activities are in the field of Robotics and Automation, with special interests devoted to all the aspects involving planning, motion and interaction control problems within sensorized multirobot structures. Within DIST he is currently also the head of the laboratory of Robotics and Automation, other then director of the department. He is, and has been, the responsible scientist of more then seven EEC funded collaborative research projects and many of MURST, CNR, ENEA and ASI Nationallly funded research projects, all in the field of robotics and automation. He is the author of almost hundred papers on the subject, published on international journal and conferences. 1.6 Pubblicazioni scientifiche più significative del Responsabile Scientifico dell'unità di Ricerca 1. CASALINO G.; TURETTA A. (2004). Modular Composition and Self Coordination Technique for Mobile Manipulators ICRA ' CASALINO G.; TURETTA A. (2003). Coordination and Control of Multiarm, Non-Holonomic, Mobile Manipulators Int. Conf. on Intelligent Robot and Systems (IROS 2003), Las Vegas, Nevada, USA. Oct CASALINO G.; TURETTA A. (2003). Coordination and Control of Multiarm Mobile Manipulators In SICILIANO B.; DE LUCA A.; MELCHIORRI C.; CASALINO G. Advances in Control of Articulated and Mobile Robots. pp : Springer Verlag (GERMANY) 4. CASALINO G.; INDIVERI G.; TURETTA A.; AICARDI M. (2002). Vehicle Manoeuvring and Multiarm Motion Coordination Within Grasping Operations Proc. of 10th Mediterranean Conference (MED 2002), Lisbon, Pt. July M. AICARDI; G. CANNATA; CASALINO G.; G. INDIVERI (2001). Cups Free Time Invariant, 3D feedback Control Law for a Nonholonomic Floating Robot INTERNATIONAL JOURNAL OF ROBOTIC RESEARCH. (vol. Vol.20, No4 pp ) 1.7 Risorse umane impegnabili nel Programma dell'unità di Ricerca Personale universitario dell'università sede dell'unità di Ricerca Personale docente nº Cognome Nome Dipartimento Qualifica Settore Mesi Uomo Disc. 1 anno 2 anno 1. CASALINO Giuseppe Dip. INFORMATICA, SISTEMISTICA E Prof. ING-INF/ TELEMATICA Ordinario 2. AICARDI Michele Dip. INFORMATICA, SISTEMISTICA E Prof. ING-INF/ TELEMATICA Associato TOTALE MIUR - BANDO

3 PARTE I Altro personale Nessuno Personale universitario di altre Università Personale docente nº Cognome Nome Università Dipartimento Qualifica Settore Mesi Uomo Disc. 1 anno 2 anno 1. INDIVERI Giovanni LECCE Dip. INGEGNERIA DELL'INNOVAZIONE RU ING-INF/ BARTOLINI Giorgio CAGLIARI Dip. INGEGNERIA ELETTRICA ED PO ING-INF/ ELETTRONICA TOTALE 6 6 Altro personale Nessuno Titolari di assegni di ricerca Nessuno Titolari di borse nº Cognome Nome Dipartimento Anno di inizio Durata(in Tipologia Mesi Uomo borsa anni) 1 anno 2 anno 1. TURETTA ALESSIO Dip. INFORMATICA, SISTEMISTICA E Dottorato 4 4 TELEMATICA TOTALE Personale a contratto da destinare a questo specifico programma nº Qualifica Costo previsto Mesi Uomo Note 1 anno 2 anno 1. Assegnista TOTALE Personale extrauniversitario indipendente o dipendente da altri Enti nº Cognome Nome Nome dell'ente Qualifica Mesi Uomo 1 anno 2 anno 1. MARANI GIACOMO UNIVERSITY OF HAWAII AT MANOA Researcher 1 1 TOTALE 1 1 MIUR - BANDO

4 2.1 Titolo specifico del programma svolto dall'unità di Ricerca Coordinamento, Cooperazione e Controllo di Sistemi Mobili di Manipolazione Coordination, Cooperation and Control of Mobile Manipulation Systems 2.2 Settori scientifico-disciplinari interessati dal Programma di Ricerca ING-INF/04 - Automatica 2.3 Parole chiave MANIPOLATORI MOBILI ; SISTEMI MULTIROBOT ; COOPERAZIONE ROBOTICA ; SISTEMI DI MOVIMENTAZIONE MOBILE MANIPULATORS ; MULTIROBOT SYSTEMS ; ROBOT COOPERATION ; HANDLING SYSTEMS 2.4 Base di partenza scientifica nazionale o internazionale Con la dizione "sistema mobile di manipolazione" si intende una struttura robotica costituita da una base mobile sulla quale si trovano uno o più bracci manipolatori; con l evidente scopo di di sfruttare i gradi di libertà aggiuntivi offerti dalla base mobile, al fine di riuscire ad assolvere a compiti di manipolazione altrimenti non eseguibili da parte dei soli bracci a base fissa. Nel caso di applicazioni terrestri, la base è tipicamente costituita da un veicolo di tipo 2D, movimentato tramite ruote o cingoli, mentre nei casi sottomarini o spaziali il veicolo è invece di tipo 3D, attuato tramite sistemi specifici di propulsione di varia natura Nell'ambito di tali sistemi, i bracci manipolatori sono a loro volta equipaggiati con organi di presa che, in dipendenza della specificità delle applicazioni, possono variare dalle normali pinze di afferraggio, fino a raggiungere i più elevati livelli di sosfisticazione, quali ad esempio organi di presa sensorizzati aventi struttura assimilabile a quella antropomorfa. Per quel che riguarda la base mobile, si possono anche prevedere sistemi di locomozione basati su arti, anzichè su sistemi di rotolamento quali ruote o cingoli. La natura di tali sistemi, anche nelle loro forme più semplici (singolo braccio, veicolo 2D su ruote, persorsi piani) necessita naturalmente di sistemi di controllo atti a garantire un adeguato livello di coordinamento, nell esecuzione delle azioni e dei moti da parte delle diverse entità meccaniche componenti il sistema. Da questo punto di vista, anche se con interessi prevelentemente rivolti alle sole forme più semplici di manipolatori mobili, la ricerca ha avuto modo di svilupparsi in modo tale da rendere oggi disponibili diverse tecniche consolidate, del tutto confacenti alle problematiche di coordinamento per i già citati sistemi di più semplice concezione A questo proposito, un breve escursus della letteratura prodotta in questi anni evidenzia come, ai primordi [1-8], il problema sia stato affrontato adottando un ottica di prevalente pianificazione off-line, non solo delle azioni da compiere, ma anche dei corrispondenti moti da eseguire; affidando di fatto la corretta esecuzione dell intero compito alla sola ricopiatura dei moti pianificati, senza che vi potesse essere poi alcun sostanziale controllo in ciclo chiuso riguardante l effettività dell'esecuzione del task Tale filosofia di approccio venne però ben presto abbandonata per dar luogo allo sviluppo di tecniche che, agendo in ciclo chiuso nello spazio operativo, nonchè guidate da adeguate sensorizzazioni atte a fornire misure di errori direttamente legate al task, fossero in grado di far fronte ad incertezze ambientali, ad eventi inaspettati, nonchè ad imprevedibili azioni di disturbo. Al riguardo di tali tecniche, si possono qui ricordare ad esempio i lavori [9-15], nell ambito dei quali il problema del controllo nello spazio operativo di manipolatori mobili (sempre di più semplice concezione) viene affrontato su base quasi esclusivamente cinematica; ossia nell ipotesi di poter considerare quale variabile di controllo il vettore di velocità all end-effector del braccio, da tradursi contestualmente nel corrispondente insieme delle velocità ai giunti del braccio, nonchè delle velocita cartesiane del veicolo; a loro volta fisicamente replicate da un sottostante, del tutto accurato, livello di controllo dinamico adibito all'inseguimento di tali velocità. Si noti comunque come l impiego di tali tecniche controllo, distribuite su due livelli gerarchici (cinematico e dinamico, nell ordine sovrapposti), richieda tuttavia la disponibilità di modelli cinematici e dinamici di natura globale, da costruire a priori e di natura tendenzialmente complessa. Tutto ciò anche se in molti casi risulta di fatto possibile evitare la parte di modellazione dinamica mascherando i corrispondenti effetti in virtù dell uso di regolatori ad alti guadagni (ma rinunciando nel contempo anche a richiedere alti rate di esecuzione dei compiti assegnati). Alle appena menzionate tecniche, se ne affiancano poi altre di natura pienamente dinamica [16,17] (tutte riferentesi alla cosidetta formulazione dinamica nello spazio operativo, originariamente dovuta a Khatib [18,19]) nell ambito delle quali gli effetti cinematici e dinamici dell intero sistema vengono fin dall'inizio tenuti in conto in maniera integrata, ai fini della progettazione dell intero sistema di controllo. Entrambe le tecniche sono evidentemente in grado di garantire l'implicita risoluzione del problema di coordinazione tra veicolo e braccio, in virtù proprio della centralizzazione del controllo; di fatto progettato in modo tale da interpretare l'intero sistema come MIUR - BANDO

5 una catena cinematica seriale, nellla quale la base mobile è assimilata al primo link, dotato di gradi di libertà aggiuntivi. L innegabile vantaggio insito in una soluzione centralizzata rischia tuttavia di perdere di efficacia (progettuale, implementativa e di uso pratico) qualora le strutture mobili di manipolazione da controllare risultino di complessità superiore, tendenzialmente crescente, a quelle di semplice concezione a cui le stesse tecniche hanno sempre fatto riferimento. Più precisamente, si ritene ormai che un approccio centralizzato al controllo di manipolatori mobili complessi non possa, in ultima analisi, non evidenziare i seguenti controproducenti aspetti: a) Difficoltà ad estendere l approccio a casi di complessità crescente, comprendenti ad esempio più manipolatori a bordo veicolo, eventualmente trasportati da basi mobili supportate da arti.. b) Impossibilità a far fronte alla crescente domanda di riuscire comunque a garantire un adeguato livello di modularità (funzionale, algoritmica, architetturale Hw/Sw) nell ambito di sistemi robotici complessi, ma comunque di natura meccanicamente componibile (quali sono appunto quelli in oggetto). Con riferimento allora alle problematiche di coordinamento decentralizzato, nonchè di modularità, poste dalla crescente complessità dei sistemi in gioco, si ritiene qui necessario poter quindi proporre una diversa formulazione teorico/metodologica, in relazione alla quale l'intero sistema possa continuare comunque ad essere interpretato come la composizione di differenti unità robotiche di base, caratterizzate ciascuna da capacità autonome di controllo della propria movimentazione. Un interpretazione questa che generalmente induce a ricondurre il problema della coordinazione a quello della progettazione di un opportuno "livello di controllo della coordinazione da collocare, quale strato comune, al livello più alto delle gerarchie separatamente adibite al controllo delle diverse unità robotica di base. Nell ambito di tale interpretazione, i controllori separati delle diverse unità dovranno presumibilmente uniformarsi, sia a standard interni di natura algoritmico/funzionalele, sia a standard esterni di interfaccia col livello superiore di coordinamento; il quale dovrà comunque essere in grado di assolvere al suo compito di coordinamento operando esclusivamente sulla base dei segnali ricevibili e inviabili ai sottostanti controllori, via interfacciamento standard con le corrispondenti porte di di I/O previste. Un alternativa alla sopra citata struttura centralizzata di esclusivo coordinamento, puo essere anche quella che, basata invece su un intensivo scambio strutturato di segnali e informazioni tra i vari controllori, consente l instaurarsi di forme naturali di auto-coordinamento, quale comportamento emergente dalla corrispondente struttura di controllo distribuita. Naturalmente, forme ibride comprendenti sia aspetti di coordinamento centralizzato che di natura emergente distribuita, possono essere immaginate quali alternative intermedie. Al momento attuale si può affermare che risultati del tutto incoraggianti riguardanti entrambe le prime due possibilità sono già stati ottenuti al riguardo di manipolatori mobili anche di tipo multibracci [20-23], anche se tuttavia riferiti ancora a casi supposti essere di natura puramente cinematica. Studi in atto sembrano comunque già fornire le necessarie indicazioni sul come strutturare il controllo dinamico interno a ciascuna struttura, al fine di poter far fronte, in forma efficace e comunque distribuita, anche agli aspetti di natura dinamica. Una volta superati i problemi posti dalla dinamica delle srutture, la ricerca potrà poi allargare i suoi interessi rivolgendosi sia al trattamento strutture mobili di manipolazione semoventi in base ad arti (nell ambito delle quali il trattamento degli aspetti dinamici e certamente ineludibile) sia ancora ad aspetti di cooperazione, questa volta riguardanti diverse entità mobili di manipolazione The terms "mobile manipulator systems" are here used for denoting a robotic structure constituted by a mobile base supporting one or more manipulator arms, with the obvious scope of allowing the execution of manipulatin tasks that otherwise could not be accomplished by fixed base manipulators only. In cases of terrestrial applications, the moving base is generally of 2D motion type,actuated via rolling elements such as wheels or crawlers,while in underwater or space applications the vehicle is instead of 3D motin type, actuated via thruster systems of specific nature (propellers or hydrojets in the underwater case, or hydrazine propellers in the space case) For such systems, the arms are in turn equipped with grasping devices that, depending from the specific application, may range from simple pliers, till very sophisticated devices, such as for instance multifingered sensorized anthropomorphic robotic hands. For what still concerns the mobile base, even the possibility of using legged locomotion systems, in lieu of wheeled ones, can also be kept into account. The specific nature of such systems, even in their more simpler forms (single arm, 2D wheeled vehicles, motions on planar terrains)naturally demands for control systems capable of guaranteeing an adequate level of coordination during the motion executions by part of the different mechanical entities composing the overall system. Frm this point of view, even if with interests mainly directed toward the simplest forms of mobile manipulators, the reserach has been able to develop different control techniques, suitable for facing the involved coordination problems for the already mentioned simplest forms of mobile manipulation systems. To this respect, a brief history of the produced literarture allows to evidence how, at the beginning [1-8], the coordination problem was approached by primarily adopting the point of view of an off-line planning, not only of the actions to be taken, but also of the trajectory motions to be executed; thus deferring the correct execution of the overall task to the execution of an almost exact replica of the planned motions, without having any closed loop control about the effectiveness of the actual task execution Such type of philosophy of approach was however abandoned very soon; thus allowing the development of closed loop techniques that, by directly acting at the operational space level, while driven by suitable sensor systems capable of producing errors directly related to the commanded task, were able to effectively face with environmental uncertainties,unespected events, as well as unforeseen disturbance actions. To this respect, it is noteworthy to mention the works [9-15], where the overall control problem (though still referred to the simplest cases)was solved on a so called "kinematic basis";that is by considering, as control variables, the cartesian velocities of the arm end-effector, to be instantaneuosly translated into corresponding joint velocities, as well as the cartesian velocities of the vehicle, they also considered as additional control variables. Such overall vector of velocity control variables are in turn physiscally replicated via the presence of an assumed, accurate dynamic control layer specifically designed for real-time tracking such control velocity profiles. The employement of such techniques organized into two hierarchical levels (kinematic and dynamic) however requires the a-priori availability of global (i.e. regarding the entire system) kinematic and dynamic models, generally characterized by an high level of complexity. This, even if in many cases the need for a global dynamic model could be avoided by "masking" the dynamic effects via the use of so called "high-gain" linear regulators (but meanwhile renouncing to an high rate request of execution of the commanded tasks). Other techniques of "fully dynamic" nature have however been also developped [16,17], all derived from the well known MIUR - BANDO

6 "operational space formulation",introduced by Khatib [18,19]. Whithin such techniques the kinematic and dynamic aspects are duly kept into account from the beginning, in an integrated form, to the aim designing the overall control system. Both the above mentined classes of techiques naturally guarantee the implicit solution of the coordination problem between the arm and the vehicle; this due to the adoption of a centralized control scheme, which de facto allows to consider the overall system like a serial kinematic chain, were the mobile base is seen as the first link, characterized by some additiona degrees of freedom. Such an intrinsic advantage of a centralized solution might however risk to loose its effectiveness, whenever the mobile manipulation structures to be controlled result of greater complexity than the simplest ones to which the mentioned techniques has been generally referred. More specifically, it seems to be now a common opinion that a centralized approach to the control of complex mobile manipulation systems cannot, in perspective, avoid to bring into evidence the following aspects: a) Difficulties in extending the approach to cases of increasing complexity: such as for instance multi-manipulators possibly transported by a mobile base supported by legged locomotion systems. b)difficuties in responding to the increasing demand for "modularity" at different levels (functional, algorithmic and Hw/SW) within mechanically composable systems (as almost all mobile manipulation systems actually are). By then referring to the coordination problems, as well as modularity problems, posed by the foreseable increasing complexity of the mobile manipulation systems,it seems consequently necessary to be able to approach such problems on the basis of a different formulation, on the basis of which the entire system may continue to be considered as the composition of different "basic robotic units", each one characterized by authonomous capabilities when controlling its own motions. An interpretation, this last, that generally induces to consider the overall coordination problem as the one of being able to design a suitable "coordination layer" to be added, as a common strata, to the highest level of the various hierarchies separately controlling the different basic units Within such an interpretation, the controller of the various units would presumably have to satisfy to standard requiremments of both internal tupe (functional and algorithmic) as well as of external type, as it concern for instance the interface ports with the upper coordination layer; where this last should be in any case capable of accomplishing its coordination role by only acting on the basis of a data exchange with the various controllers, performed via their established I/O standard ports An alternative to the above mentioned centralized coordination-only structure might however be the one that, based on an intensive structured data exchange among the different controllers, allows the rising of forms of "self-coordination", to be interpreted as behaviours naturally emerging from the corresponding, underlying, distributed control architecture. Naturally enough, even hybrid forms,comprehensive of both centralized cooordination aspects, as well as of emerging nature, can also be imagined, as intermediate alternatives. At present time, some encouraging results regarding both the first two alternativeshave been alrady obtained, even for the case of multi-arm mobile manipulators [20-23], even if still referred to cases which have been assumed to be of pure kinematic nature. Current studies seem however to be on the way of giving the right indications about how internally structuring each separate dynamic controllers, in order to effectively face even the dynamic aspects, in a totally distributed way. Once the problems posed by the dynamic nature of the composing structure will be it also solved, the reserch might direct its interests for instance toward considering legged mobile manipulators (where dynamic aspects cannot at all be neglected) or toward considering coordination problems now referred to different mobile manipulator units. 2.4.a Riferimenti bibliografici [1] W.F. Carriker, P.K. Khosla, and B.H. Krogh, Path planning for mobile manipulators for multiple task execution, IEEE Trans. on Robotics and Automation, vol. 7, pp , [2] F.G. Pin and J.C. Culioli, Multicriteria position and configuration optimization for redundant platform/manipulator systems, Proc. IEEE Work. on Intelligent Robots and Systems, pp , [3] F.G. Pin, K.A. Morgansen, F.A. Tulloc, C.J. Hacker, and K.B. Gower, Motion planning for mobile manipulators with a nonholonomic constraint using the FSP (Full Space Parameterisation) method, J. of Robotic Systems, vol. 13, pp , [4] S. Dubowsky and W.A.B. Tanner, A study of the dynamics and control of mobile manipulators subjected to vehicle disturbances, Proc IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp , [5] K. Liu and F. Lewis, Decentralized continuous robust controller for mobile robots, Proc IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp , [6] N.A.M. Hootsmans and S. Dubowsky, Large motion control of mobile manipulators including vehicle suspensions characteristics, 1991 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp , [7] K.A. Tahboub, Robust control of mobile manipulators, J. of Robotic Systems, vol. 13, pp , [8] C. Perrier, L. Cellier, P. Dauchez, P. Fraisse, E. Degoulange, and F. Pierrot, Position/force control of a manipulator mounted on a vehicle, J. of Robotic Systems, vol. 13, pp , [9] Y. Yamamoto and X. Yun, Coordinating locomotion and manipulation of a mobile manipulator, Proc. 31st IEEE Conf. on Decision and Control, pp , [10] Y. Yamamoto and X. Yun, Coordinating locomotion and manipulation of a mobile manipulator, IEEE Trans. on Automatic Control, vol. 39, pp , [11] B. Bayle, J.Y. Forquet, and M. Renaud, Manipulability analysis for mobile manipulators, proc IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp , [12] B. Bayle, J.Y. Forquet, and M. Renaud, Using manipulability with nonholonomic mobile manipulators, Int. Conf. on Field MIUR - BANDO

7 and Service Robotics, pp , [13] G. Antonelli and S. Chiaverini, Taskpriority redundant resolution for underwater vehicle-manipulator systems, IEEE int. Conf. On Rob. & Aut., ICRA 98, Leuven, Belgium, pp , 1998 [14] G. Antonelli and S. Chiaverini, A fuzzy approach to redundancy resolution for underwater Vehicle-Manipulator Systems, Control Engineering Practice, vol. 11, pp , [15] G. Antonelli and S. Chiaverini, Fuzzy redundancy resolution and motion coordination for underwater vehicle manipulator systems, IEEE Trans. on Fuzzy Systems, vol. 11, pp , [16] O. Khatib, K. Yokoi, K. Chang, D. Ruspini, R. Holmberg, and A. Casal, Coordination and decentralized cooperation of multiple mobile manipulators, J. of Robotic Systems, vol. 13, pp , [17] O. Khatib, K. Yokoi, K. Chang, D. Ruspini, R. Holmberg, A. Casal, "Vehicle/arm coordination and multiple mobile manipulator decentralized cooperation", Proc IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robots & Systems, pp [18] O. Khatib, A unified approach to motion and force control of robot manipulators: The operational space formulation, IEEE J. of Robotics and Automation, vol. 3, no. ), pp , [19] O. Khatib, Inertial properties in robotics manipulation: An object level framework, Int. J. of Robotic Research, vol. 14, pp , [20] G. Casalino., A Turetta: Coordination and Control of Multiarm Mobile Manipulators. In B. Siciliano, A. De Luca, C. Melchiorri, G. Casalino: Advances in Control of Articulated and Mobile Robots, Springer Verlag, Germany, 2003, pp [21] G. Casalino, A. Turetta: Coordination and Control of Multiarm, Non-Holonomic, Mobile Manipulators, Int. Conf. on Intelligent Robot and Systems (IROS 2003), Las Vegas, Nevada, USA. Oct [22] G. Casalino, A.Turetta: Modular Composition and Self Coordination Technique for Mobile Manipulators. ICRA '2004, New Orleans, May 2004 (to appear). [23] G. Casalino, A. Turetta: Self Organizing Control of mobile manipulators. IAV'04, Lisbon, PT, June 2004 (To appear) 2.5 Descrizione del programma e dei compiti dell'unità di Ricerca Quanto qui di seguito riportato, meglio descrive le linee di ricerca che verranno perseguite dall'unità Operativa dell'università di Genova (UNIGE) nell'ambito del progetto PICTURE. Tali attività verranno svolte primariamente presso il laboratorio DIST-UNIGE-Graal-Lab ( adeguatamente dotato di tutta la strumentazione necessaria per lo sviluppo di sistemi Hw/Sw real-time, nonchè di svariati set-up sperimentali di tipo robotico, quali ad esempio sistemi multibracci a base fissa, mani robotiche a quattro dita (attuate con tendini), teste robotizzata equipaggiate con telecamere per visione stereo, etc.. L'Unità Operativa UNIGE, la quale comprende al suo interno anche qualificati ricercatori delle Università di Cagliari e Lecce, aventi competenze specifiche nei settori della guida e controllo di singoli veicoli autonomi, svolgerà anche le funzioni di coordinamento delle attività riguardanti la tematica di ricerca VMS (Vehicle Manipulator Systems), alle quali parteciperanno anche le Unità Operative delle Università di Cassino (UNICAS) e Roma3 (UNIRM3). In accordo con quanto indicato nel Mod.A, tali Unità Operative partecipanti forniranno contributi relativamente agli aspetti generali di controllo per sistemi veicolo manipolatore (UNICAS, UNIRM3), a quelli concernenti il coordinamento di più veicoli autonomi operanti in team (UNICAS), nonchè infine a tutti gli aspetti riguardanti l'uso di sistemi multi-sensoriali integrati (UNIRM3). Per quanto riguarda specificatamente UNIGE, essa indirizzerà invece i suoi interessi principalmente verso approfondimenti teorico-metodologici concernenti tutti gli aspetti di moto coordinato, nonchè di grasping, manipolazione e trasporto coordinato di oggetti, da realizzarsi nell'ambito di sistemi modulari veicolo-manipolatore, di crescente complessità strutturale; ossia, a partire da veicoli semoventi 2D sul piano e supportanti un singolo braccio, passando poi attraverso veicoli 3D flottanti, equipaggiati con più bracci, fino ad arrivare a più sistemi veicolo-manipolatore tra loro cooperanti, ad esempio nel trasportare un carico condiviso. In quest'ambito UNIGE parteciperà quindi anche alle attività delle tematiche TEAM (Robot Teams) in relazione a tutti gli aspetti di azione in squadra che potranno contribuire alla cooperazione tra diverse entità veicolo-manipolatore, nonchè anche a quelle della tematica UNDW (Underwater Robots) con interessi rivolti alle specificità del controllo coordinato del moto di veicoli e manipolatori operanti in ambiti sottomarini. Naturalmente, poichè alle classi di crescente complessità sopra menzionate, si possono poi affiancare anche quelle di complessità ancor maggiore rappresentate da veicoli-manipolatori semoventi in base ad arti, la presente ricerca presterà altresì particolare attenzione agli sviluppi che potranno emergere nell'ambito della tematica LOCOM (Locomotion Systems), specificatamente indirizzata ad aspetti di locomozione robotica e comprendenti in larga misura anche quella su arti. L'effettiva estensione degli approfondimenti anche a tale seconda tipologia di sistemi, avverrà però a valle dello sviluppo delle analisi rivolte alla prima, peraltro più comune, tipologia di sistemi mobili di manipolazione. Obiettivo primario della ricerca sarà in ogni caso quello di poter pervenire ad una formulazione teorico/metodologica per la messa a punto di tecniche di coordinamento e controllo, di natura modulare e distribuita, capaci di consentire il governo coordinato di tutte le "unità robotiche" componenti un sistema mobile complesso di manipolazione. Nel loro ambito, tali tecniche potranno a loro volta distinguersi in due diverse tipologie: la prima, coorrispondente alle tecniche distribuite ammettenti comunque un sistema MIUR - BANDO

8 centralizzato di coordinamento, da compararsi con la seconda, comprendente invece a tutte quelle caratterizzate dall'esibire proprieta di "auto-coordinamento" emergenti dalla stessa formulazione distribuita delll'intero sistema di controllo e comuniacazione. Un secondo obiettivo sarà poi quello rappresentato dall'estensione delle stesse tecniche (in particolare di quelle ad auto-coordinamento) ai casi di manipolatori mobili multipli, tra loro cooperanti. Un terzo obiettivo potrà infine riguardare (condizionatamente però agli sviluppi dei primi due) avanzamenti nell'estensione delle stesse tecniche ai casi di manipolatori mobili supportati da arti. Prove simulative complete (certamente comprendenti l'intera classe di manipolatori mobili non attuati su arti) saranno messe a punto quale necessario output dell'intero programma. Per quanto riguarda le prove sperimentali, queste riguarderanno invece il solo caso di una semplice base mobile 2D semovente su ruote (da svilupparsi appositamente nel corso del progetto) la quale, una volta equipaggiata con due bracci manipolatori PUMA 260 calettati orizzontalmente rispetto al piano di moto (già disponibili presso l'unità Operativa UNIGE) darà luogo ad un sistema sperimentale di dimensioni contenute, ma comunque caratterizzato da un grado di complessità del tutto adeguato, al fine di una conferma sperimentale delle metodologie di controllo distribuito che verranno messe a punto. La seguente articolazione in fasi di sei mesi ciascuna, e relativi items da sviluppare, meglio specifica la sequenza di attività che verranno portate avanti da UNIGE nell'ambito dell'intera durata del progetto PICTURE. Fase 1 (22 KEuro) -Definizione di moduli standard architetturali e algoritmici per il controllo locale di unità robotiche di base componenti sistemi mobili complessi di manipolazione. -Standardizzazione delle interfaccie I/O di interscambio dati parametrici e segnali. -Definizione degli standard I/O comunicazione per l'interscambio di dati parametrici e segnali. -Progettazione della piattaforma mobile. Con l esclusione del solo ultimo punto, si intende in questa fase di poter fornire un contributo architetturale di carattere generale anche alle altre tematiche TEAM, UNDW, LOCOM, incui UNIGE è coinvolta. Fase 2 (18 KEuro) -Sviluppo di metodologie e algoritmi per il coordinamento centralizzato delle varie unità robotiche componenti. -Definizione della topologia di interscambio dati parametrici e segnali, nonchè dei rate comunicazione tra controllori, ai fini dell'instaurarasi di forme efficaci di autocoordinamento. -Validazione simulativa su sistemi di crescente complessità di entrambi i tipi di metodologie e tecniche sviluppate. Con esclusione dell ultimo punto, si prevede che i risultati della presente fase potranno costituire un contributo sia alla tematica TEAM, in riferimento sopratutto a entrambe le tecniche di coordinamento (centralizzato e non); sia alla tematica UNDW, per quel che concerne l impiego delle stesse tecniche, qualora applicate ai sottosistemi componenti un veicolo-manipolatore flottante per impieghi sottomarini. Fase 3 (26 KEuro) -Estensione delle metodologie di coordinamento ai casi di manipolatori mobili multipli. -Validazioni simulative dei metodi di coordinamento per manipolatori mobili multipli. -Strutturazione e progettazione Hw/Sw di controllori standard, relative interfaccie e tecniche di interscambio dati. -Avvio dello sviluppo HW/Sw deii controllori standard e dei corrispondenti sistemi di comunicazione -Realizzazione meccanica della Piattaforma mobile e suo equipaggiamento coi bracci manipolatori. Con esclusione degli ultimi tre punti, i risultati di questa fase costituiranno sopratutto un contributo alla tematica TEAM; ma anche alla tematica UNDW in relazione a futuribili impieghi di manipolatori mobili multipli flottanti, anche in ambiti sottomarini. Fase 4 (20 KEuro) -Studi teorici concernenti l'estensione delle tecniche di coordinamento prima sviluppate, ai casi di manipolatori mobili semoventi su arti. Prove simulative al riguardo -Completamento Hw/Sw dei sistemi di controllo modulari standard. -Strutturazione e implementazione, via composizione modulare e interfacciamento via relativo sistema di comunicazione, dell'intera architettura distribuita di coordinamento e controllo per il manipolatore mobile a due bracci. -Prove di funzionalità ed efficienza. -Preparazione di estensive prove a scopo dimostrativo finale. Lo sviluppo del primo punto di questa fase intende essere un contributo che si desidera dare alla tematica LOCOM, tenendo conto dei risultati di maggior peculiarità che verranno nel contempo sviluppati nell ambito di questa stessa tematica. Based on the previously outlined general objectives, what follow better describes the research lines that will be followed by the operating Unit of the University of Genova (UNIGE) within the PICTURE project. Such activities will be primarily performed within the premises of the DIST-UNIGE Graal-Lab ( equipped with the necessary instrumentation for the design and development of real-time Hw/Sw systems, as well as different MIUR - BANDO

9 experimental robotic set-up; such as various multiarm systems, tendon actuated multifingered robotic hands, motorized robotic heads including multicameras for stero vision, etc. The Operative Unit UNIGE, which is comprehensive of qualified research personnel also from the Universities of Cagliari and Lecce, with specific background on guidance and control of authonomous vehicles, will also be the coordinator of the activities that will be developped within the research theme VMS (Vehicle-manipulators Systems), where the Operative Units from the Universities of Cassino (UNICAS) and Roma3 (UNIRM3)will also be active. Accordingly with the specifications contained in the Mod.A form, such partecipating Units will give contributions to the general control aspects and problems related to vehicle-manipulator systems (UNICAS, UNIRM3), to aspects concerning the coordination of teams of authonomous vehicles (UNICAS), and also all aspects concerning the effective use of integrated multi-sensory systems (UNIRM3). As regard the specific activities to be instead performed by UNIGE, the corresponding interests will be maily directed toward the development of theoretical insight concerning all the aspects of coordinated motion, coordinate object grasping, manipulation and transportation, to be performed by part of modular vehicle-manipulation systems of increasing complexity; that is, starting from 2D vehicles moving on the plane and equipped with a single arm, then considering 3D floating vehicles possibly equeipped withy multi-arm systems, till arriving to teams of mobile manipulators cooperatively acting, as for instance when cooperatively transporting the same shared load. In this framework UNIGE will conequently have a partecipation within the reserch themes TEAM (Robot Teams), for what corncerns all the team-control aspects that can contribute to the coordination of different vehicle-manipulators systems, as well as UNDW (Underwater Robots) with interests directed toward the coordinated control peculiarities characterizing the motion of mobile manipulators operating in the underwater environment. Naturally enough, since to the above classes of incresing complexity there can be added also others caracterized by even greater complexity, like the classes of all legged mobile manipulators systems, the present research will also look with a particular attention to all the developments of the theme LOCOM (Locomotion Systems), specifically addressed to aspects of robotic locomotion, mainly including also the legged one. Nevertheless, the extension of the analysis to such second type of of systems will be performed after the development of the analysis devoted to the first, much more common, class of mobile manipulation systems. In any case, the fundamental objective of the research will be that of eventually producing a theoretical-methodological formulation for the development of control-coordination techniques, of modular and distributed nature, capable of allowing the coordinated governance of all "robotic units" composing a modularly complex mobile manipulation system. To this respect, such techniques can in turn be classified into two different chategories: the first, corresponding to those distributed techniques however requiring the presence of a centralized level of overall coordination; to be compared with the second ones, comprehensive of all distributed techniques capable of exibithing "self-coordination" properties, as a behaviour emerging from the distributed nature of the overall distibuted control and communication architecture. A second objective will be also that represented by the extension of the same techniques (and in particular those characterized by self-coordination properties) to the cases of multiple mobile manipulators commanded to act in a cooperative fashion. A third objective of the research may also regard (even if with minor priority with respect to the first two) the development of possible extensions of the same techniques to the cases of mobile manipulators based on legged locomotion systems. Complete simulation trials (certainly comprehensive of the entire class of non-legged locomoted mobile manipulators) will be provided as a necessary output of the entire program. As it concerns instead experimental trials, these last will regard the only case of a simple wheeled 2D mobile platform (to be specifically developped within the project) that, once equipped with two PUMA 260 manipulator arms located in horizontal configuration with respect to the motion plane (already available to the Operating Unit UNIGE) will result into an experimental system of contained dimensions, though characterized by a degree of complexity suitable for an experimental confirmation of the distributed coordination and control techniques that will be proposed. The following subdivision of the program into four phases of six months each, and relevant items to be developped, better specify the sequence of activities tha will be performed by UNIGE within the duration time of the entire project PICTURE. Phase 1 (22 KEuro) -Definition of architectural and algorithmic standard modules for the local control of the robotic unit composing complex mobile manipulator systems. -Standardization of the I/O interfaces for the exchange of parametric data and signals. -Definition of the I/O communication standards for the exchange of parametric data and signals. -Design of the mobile platform. Apart the last point, the other points of the present phase will represent an architectural contribution of general nature also for all the others themes TEAM, UNDW, LOCOM, where UNIGE is also involved. Phase 2 (18 KEuro) -Development of methodologies and algorithms for the centralized coordination of the various composing robotic units. -Definition of the communication topology, and corresponding transmission rates, for the exchange of parametric data and signals useful for the induction of self-coordination behaviours. -Validation via simulative trials performed on cases of increasing complexity of both types of developed methodologies and techniques. Apart the last point, it is foreseeable that the results of the present phase will represent a contribution also for the theme TEAM, in particular for what concerns both types of coordination techniques (centralized or not); as well as to the theme UNDW, for what concerns the employment of the same techniques for the coordination of the subsystem composing a floating vehicle-manipulator system devoted to submarine applications. MIUR - BANDO

10 Phase 3 (26 KEuro) -Extension of the coordination methodologies to the case of multiple mobile manipulators. -Validation via simulative trials of the coordination methods for multiple mobile manipulators. -Hw/Sw design of local modular controllers, comprehensive of their I/O interfaces and communication techniques. -Beginning of the Hw/Sw development of local modular controllers, comprehensive of their I/O interfaces and communication techniques. -Mechanical and electrical realization of the mobile platform equipped with the two manipulator arms. With the exclusion of the last three points, even if the results of this phase will mainly represent a contribution to the theme TEAM, they will be however also useful for the theme UNDW, as it concern possible future applications of multiple floating vehicle-manipulator systems within underwater environments. Phase 4 (20 KEuro) -Theoretical studies relevant to extensions of the developed techniques to the cases of legged mobile manipulators. Relevant simulative experiments -Hw/Sw completion of the local modular controllers and relevant communication system interfaces. -Implementation, via modular composition and interfacing via relevant communication system, of the overall distributed architecture of coordination and control for the two-arms mobile manipulator. -Execution of functionality and efficiency experimental trials. -Preparation of extensive experimental trials for final demonstrations. The development of the first point of this phase is intended to be a contribution to be given to the theme LOCOM, by explicitly keeping into account the peculiarities of this theme, as well as the specific results that meanwhile will be produced within the same theme 2.6 Descrizione delle attrezzature già disponibili ed utilizzabili per la ricerca proposta con valore patrimoniale superiore a Euro nº anno di Descrizione acquisizione No 3 robot Puma-260, ciascuno a 6-dof, completi di sistema di controllo multipriìocessore basato su architettura VME bus, con capacita di operare in cooperazione a coppie di due bracci per volta Cella robotica sottomarina a due braccia cooperanti, ciascuna a 7 dof, attuata elettricamente, e controllata da architettura multipriìocessore fondata sull'impiego di bus VME No 2 Mani robotiche a quattro dita, attuata a tendini, dotata di sensori inrinseci di forza alle falangi delle dita, controllata tramite architettura multiprocessore basata su bus VME. Possibiltà di montaggio su uno qualsiasi dei bracci Puma-260. Sw di controllo della mano struturato in modo tale da poter dialogare, ai fini della cooperazione, col Sw di controllo del sottostante braccio Puma-260 di supporto "Robot Developper Studio": Ambiente proprietario per la deduzione automatica di modelli dinamici analitici di sistemi robotici e loro simulazione real-time su architetture multiprocessore Ambiente proprietario per lo sviluppo di Sw real time su sistema operativo Linux RTAI e architetture multiprocessore nº anno di Descrizione acquisizione No 3 robot Puma-260, 6-dof each, each one equipped with a VME-bus based multiprocessor control architecture, also exibithing the capabilities of being operated in a cooperative way Dual-arm underwater robotic workcell, composed by two electrically actuated, 7-dof each, cooperating arms, also including a VME-bus based multiproocessor control architecture No 2 Four-fingered, tendon actuated, robotic hands (DIST-Hand), inclusive of intrinsic force/torque sensors located at the finger tips. VME-bus based multiprocessor control, acquisition ad processing, architecture. Possibility of being mounted on any one of the robot Puma-260. Control Sw structured in such a way to allow communications with the supporting Puma-260 control Sw, to the aims of hand-arm coordination experiments "Robot Developper Studio": custom environment for the automatic development of analytic dynamic models of robotic systems, and real-time simulation on multiprocessors architectures Proprietary environment for the development or real time Sw for Linux RTAI operating system and multiprocessor architectures MIUR - BANDO

11 2.7 Descrizione delle Grandi attrezzature da acquisire (GA) Nessuna Nessuna 2.8 Mesi uomo complessivi dedicati al programma Numero Mesi uomo Mesi uomo Totale mesi uomo 1 anno 2 anno Personale universitario dell'università sede dell'unità di Ricerca Personale universitario di altre Università Titolari di assegni di ricerca 0 Titolari di borse Dottorato Post-dottorato 0 Scuola di Specializzazione 0 Personale a contratto Assegnisti Borsisti 0 Dottorandi 0 Altre tipologie 0 Personale extrauniversitario TOTALE MIUR - BANDO

12 I 3.1 Costo complessivo del Programma dell'unità di Ricerca Voce di spesa Spesa Descrizione in Euro Materiale sistema di acquisizione e processamento real-time di immagini, più relativo Sw real-time per feature inventariabile extraction. Sistemi di sensoristica ultrasuonica, infrared e laser. Grandi Attrezzature Materiale di Componenti elettromeccanici (motori elettrici, scatole di riduzione, azionamenti, batterie, attuatori. consumo e Chips specifici e componenti elettronici in genere. Strumentazione meccanica, elettrica ed elettronica. funzionamento Spese per Rinnovo licenze e upgrading di ambiti di sviluppo per sistemi Sw real time. calcolo ed elaborazione dati Personale a No 1 Assegnista da impiegare nello sviluppo e messa a a punto di sistemi Hw/Sw real-time per la contratto coordinazione ed il controllo di sistemi mobili sperimentali di manipolazione Servizi esterni Progettazione Meccanica, elettrica ed elettronica di una piattaforma mobile motorizzata atta a trasportare un braccio robotico PUMA 260 già disponibile. Assemblaggio globale (meccanico, elettrico, elettronico e di infrastruttura interna di comunicazione) relative prove di funzionalità. Progettazione e realizzazione Hw/Sw del sistema di controllo per piattaforma sottomarina attuata tramite configurazione di attuatori idrogetto, relative prove sul campo di funzionalità Missioni Partecipazione a riunioni di coordinamento, permanenza di personale presso altri laboratori delle UO afferenti al progetto, partecipazione di dottorandi a scuole e seminari. visite e permanenze di ricercatori dell'uo afferenti ad Università straniere. Partecipazioni a conferenze e workshop internazionali Pubblicazioni contributo a spese di pubblicazione su riviste nazionali ed internazionali, preparazioni di filmati e riprese per la partecipazione ad eventi dimostrativi Partecipazione / Partecipazione a convegni nazionali ed internazionali, partecipazione all'organizzazione di eventi. Organizzazione convegni Altro Costi aggiuntivi (overhead) stimati di natura dipartimentale per le attività di gestione, segretariali e di coordinamento. TOTALE Voce di spesa Spesa Descrizione in Euro Materiale Real-time image acquisition and processing sysetem, plus relevant real-time Sw for feature extraction. inventariabile Ultasonic, infrared, laser sensor systems. Grandi Attrezzature Materiale di Mechano-electrical components (motors, reduction gears, power drivers, power supplies). specific chips consumo e and gneric electronic components Mechanical, electrical, electronic instruments. funzionamento Spese per Licencing and upgrading of developping environments for real time Sw systems calcolo ed elaborazione dati Personale a No1 Grant for an experienced engineer to be employed for the design and developmento of real-time contratto Hw/Sw architectures for coordination and control of prototype experimental mobile manipulator systems Servizi esterni Mechanical/Electric and electronic design and implementation of a motorized mobile base taylored for supporting an available PUMA 260 robotic arm. Global (mechanical, electric, electronic and subsystem communication infrastracture) assembly and testing. Design and Hw/Sw implementation of the control system for an underwater platform driven by a system of coordianted Hydrojet actuators, execution of the relevant functionality field trials Missioni Attending coordination meeting, permanence of personnel at others OU's labs, participation of doctoral personnel to seminars and schools, attending international workshop and conferences. Visit and permanence of OU reseracher which are members of foreign Universities. Pubblicazioni Contribution to the pubblication of results on domestic and international journals and conferences. MIUR - BANDO

13 I Preparations of professional demo videos and images for the partecipation to different exibition events. Partecipazione / Preparation (including equipment and material transportation) to the participation to the exibtion events. Organizzazione possible coparticipation to the organization of national and international conferences and workshops convegni Altro Estimated Departmental overhead for management and coordination activities TOTALE Costo complessivo del Programma di Ricerca Descrizione Costo complessivo del Programma dell'unità di Ricerca Fondi disponibili (RD) Fondi provenienti da Contratti di Ricerca ASI, ENEA e Comunità Europea, su tematiche affini Fondi acquisibili (RA) Fondi messi a disposizione dell'ateneo in caso di approvazione del progetto Cofinanziamento di altre amministrazioni Cofinanziamento richiesto al MIUR Certifico la dichiarata disponibilità e l'utilizzabilità dei fondi di Ateneo (RD e RA) SI (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; legge del n 675 sulla "Tutela dei dati personali") Firma Data 24/03/2004 ore 10:00 MIUR - BANDO