organizzazione 100 ore ( ) comprende corso monografico: 15 ore di visione robotica 5 ore di laboratorio

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1 ROBOTICA A

2 organizzazione 100 ore ( ) comprende corso monografico: 15 ore di visione robotica 5 ore di laboratorio Dati sul sito G. Gini V. Caglioti M. Folgheraiter

3 La storia dei robot L età della meccanica: 1700, automi e karakuriningyo l età della fiction: 1920, robot l eta della cibernetica: 1940, tartaruga l età della telemanipolazione: 1940, telerobot l età dell automazione: 1960, la robotica industriale l età dell informatica: intelligenza, autonomia, cooperazione

4 Dal telerobot al robot DISPLAY SENSORI AMBIENTE CONTROLLO ATTUATORI DISPLAY SENSORI CONTROLLO C2 C1 ATTUATORI AMBIENTE - C1 controllore del robot, provvede a dotare il robot di una certa autonomia - C2 E un calcolatore che provvede a fornire all utente un interfaccia ad alto livello

5 Robotica industriale Manipolatori Per azioni ripetute Per lavorazioni o movimentazioni

6 ROBOTICA AUTONOMA MERCATO? Divertimento (AIBO ) Sorveglianza Uso domestico? Musei Spazio...

7 robot umanoidi In the early days of robotics humanoids existed only in science fiction. While these creatures boasted intelligence far superior to humans, the real robot in field use today is still a relatively unintelligent device performing programmed repetitive tasks with few sensors and little or no flexibility at all...

8 Unlike autonomous service robots that perform a more or less limited range of special tasks without human supervision, the autonomous humanoid combines advanced manipulation skills with human-like cognitive processes embodied in (approximate) human shape so as to be able to operate in unchanged man-made environments. It receives its tasks by carrying on a dialogue with human instructors involving speech, gestures and facial expressions. And it can use the same tools and appliances as human beings. A number of impressive mechanical platforms have been designed over the last decades, but, with very few exceptions, they have not been coupled with "brains". This is the reason, therefore, that we feel the time is ripe for bringing together researchers from different fields that share a common interest in this intriguing new field of interdisciplinary research.

9 asimo, pino, sdr,.

10 coco, cog, kismet

11 ROBOTICA UMANOIDE Pro oggetti comuni ambiente reale cooperare crea emozioni = con aspetto umano Contro difficile da fare non è migliore degli umani in molti casi troppo lontano dal modello Non efficiente

12 = adattabile alle nuove situazioni emula il sistema naturale anche nel controllo del moto usa visione e sensori per apprendere

13 Pro = poter comunicare compiti, condividere emozioni,... Facile mostrare che cosa fare (ha la stessa mobilità e cinematica) può esprimere emozioni umane con gesti, parole, sguardo... Contro Ha una cinematica complessa anche per operazioni semplici La macchina non deve avere emozioni o aspettative

14 Problemi di ricerca robotici Costruttivi (sensori, attuatori) Controllo (complessità, adattabilità, ) Programmazione (non ripetitività, complessità del coordinamento, ) Percezione (mondo non strutturato )

15 Problemi di ricerca nuovi Disappearing robot Comunicazione naturale Integrazione. Enbodied intelligence Percepire ed interagire con mondo non strutturato Acquisire skills Studiare i robot per studiare il comportamento umano

16 Aree parallele alla robotica Integrazione di elettronica e tessuti neurali (scimmia, lampreda, ) Protesi bioniche Neurofisiologia Bio-informatica Psicologia cognitiva Etologia..

17 Robotica - fondazione della disciplina Non è solo costruire robot Non è solo usare robot È sviluppare sistemi artificiali mobili, adattabili all ambiente, riprogrammabili È integrare modelli di percezione e azione È sviluppare teorie di coordinamento, comunicazione, apprendimento, agganciate alla percezione del reale

18 robotica Percezione e azione Robot vs robotica Livello del compito Livello fisico

19 Robot intelligenti? PREVISIONI 1. Automi e macchine flessibili ( ) 2. Robot mobili (dal 1967, Shakey) 3. Androidi 4. Cyborg (organismo cibernetico) L esigenza di avere macchine intelligenti confusa con l esistenza di tali macchine (epistemologhi e filosofi inizio AI) Dal reasoning (umano) al learning (anche animale)

20 Definizione di robot industriale (ISO) Un robot è un manipolatore multifunzionale riprogrammabile, comandato automaticamente. Un robot deve avere tre o più assi. Può essere fisso oppure spostarsi su carrello o rotaia. Un robot mobile è un sistema in grado di spostarsi in ambienti più o meno strutturati tramite vari apparati di locomozione (ruote o zampe). Di solito questi robot sono dotati di sensori che permettono di esplorare l ambiente.

21 Funzioni del sistema di governo Controllore Computer Collegamenti per le comunicazioni Pianificazione delle azioni Pianificazione delle traiettorie Interfaccia verso i sensori Controllo dei cammini Teach Box Host Computer Sistema di visione Sensori tattili

22 Aspetto fisico Motore Gear box Braccio Link Mano Sensore (interno) Giunto Veicolo o base Zampe Ruote Riferimento assoluto

23 Di che cosa è fatto un robot? What are little boys made of? Snakes and snails and puppy-dogs tails That s what little boys are made of! What are little girls made of? Sugar and spice and everything nice. That s what little girls are made of! B. Raphael Le componenti hanno un ruolo importante nel fare un robot Mente-corpo

24 Il sistema robot MECCANICA (Braccio, mano, ruote) AZIONAMENTI (Motori, alimentatori) PROCESSO (Compito, ambiente) SENSORI (Interni. esterni) PIANIFICAZIONE CONTROLLO (Cammino, prese, (Trasformazioni, loop di traiettoria) controllo) OPERATORE meccanica. azionamenti controllo processo (compito o ambiente) Sensori esterni) (interni, Pianificazione (comprende interfaccia utente e programmazione).

25 Azionamenti e attuatori MECCANICA (Braccio, mano, ruote) PROCESSO (Compito, ambiente) AZIONAMENTI (Motori, alimentatori) SENSORI (Interni. esterni) OPERATORE CONTROLLO (Trasformazioni, loop di controllo) PIANIFICAZIONE (Cammino, prese, traiettoria)

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27 Series Elastic Actuators attuatori robotici controllati in forza con elementi cedevoli in serie con l output. Hanno alti rapporti forza/massa e potenza/massa. FrAP - FrAP è il prototipo usato al MIT su M2 e M4, robot a zampe Spring Turkey, un robot costruito presso il MIT tra il 1994 ed il Spring Flamingo dal 1996 al Troody, finito nel 2001

28 SERIES ELASTIC ACTUATORS (SEA) Gli attuatori tradizionali, presentano una elevata rigidità (stiffness) all interfaccia col carico pro (precisione, stabilità, larghezza di banda del controllo in posizione ), contro (richiede ingranaggi ingombranti, con problemi alle elevate velocità dei motori elettrici di attrito, inerzia additiva, rumore, )z Pratt e Williamson - elasticità questo viene ottenuto inserendo una molla meccanica all interno dell attuatore in serie tra il gear-train ed il carico (load)

29 We use the term elasticity instead of compliance to indicate the presence of a passive mechanical spring in the actuator.

30 L elasticità limita i danni alle prestazioni degli ingranaggi ma provoca perdita di larghezza di banda ed introduce una sorta di trade-off : l output dell attuatore viene filtrato passa-basso (diminuiscono le prestazioni) gli shock sul carico vengono filtrati passa-basso (evita danni)

31 Sistema rigido o flessibile? La rigidità migliora la precisione di posizionamento, la stabilità, riduce gli errori di posizionamento in presenza di disturbi, La rigidità ha un costo: i motori elettrici devono andare a grandi velocità per ottenere la potenza necessaria e quindi sono necessari ingranaggi di riduzione. Gli ingranaggi introducono attrito, rumore, e sono soggetti a forze elevate in caso di carico esterno Lo svantaggio degli ingranaggi è tale che sono stati sviluppati motori direct drive per i robot industriali. Per i robot mobili I motori direct drive non producono una densità di forza sufficiente.

32 Attuatori di McKibben The McKibben Artificial Muscle is a pneumatic actuator which exhibits many of the properties found in real muscle. Its spring-like characteristics, physical flexibility, and light weight make it ideal for applications such as the Anthroform Biorobotic Arm and Powered Prosthetics Project. The device was first developed for use in artificial limbs in the 1950's and, recently, was commercialized for robotic applications. Vantaggi: altissimo rapporto forza/peso (10 newton/20 grammi) Svantaggi: richiedono aria compressa

33 sensori MECCANICA (Braccio, mano, ruote) PROCESSO (Compito, ambiente) AZIONAMENTI (Motori, alimentatori) SENSORI (Interni. esterni) OPERATORE CONTROLLO (Trasformazioni, loop di controllo) PIANIFICAZIONE (Cammino, prese, traiettoria)

34 I sensori in robotica grandezza fisica trasduttore computer Trasf del segnale Misurare i parametri del robot trovare oggetti rilevare collisioni monitorare le interazioni con l ambiente monitorare l ambiente ispezionare il risultato del processo percezione Elaborazione del segnale

35 I livelli dei sensori Livello percettivo stato del mondo conseguenza delle azioni livello del modello formazione del modello geometrico fusione sensoriale livello della misura conversione del segnale livello fisico trasduttore

36 Controllo MECCANICA (Braccio, mano, ruote) PROCESSO (Compito, ambiente) AZIONAMENTI (Motori, alimentatori) SENSORI (Interni. esterni) OPERATORE CONTROLLO (Trasformazioni, loop di controllo) PIANIFICAZIONE (Cammino, prese, traiettoria)

37 Nei sistemi industriali occorre ottenere posizionamento preciso - controllo in posizione Diverse tecniche per realizzarlo Interesse per sistemi ibridi posizione/forza Nei sistemi autonomi occorre un buon adattamento all ambiente - controllo in forza Nei sistemi naturali il controllo in posizione/forza è integrato nel sistema senso-motorio

38 Pianificazione e programmazione MECCANICA (Braccio, mano, ruote) PROCESSO (Compito, ambiente) AZIONAMENTI (Motori, alimentatori) SENSORI (Interni. esterni) OPERATORE CONTROLLO (Trasformazioni, loop di controllo) PIANIFICAZIONE (Cammino, prese, traiettoria)

39 dalla percezione alla modellazione Agente intelligente usa Sensori Fusione sensoriale Per costruire modelli su Oggetti Eventi Situazioni.

40 Teoria delle sensazioni. se percepiamo qualcosa assumiamo che ciò che percepiamo esista davvero nel mondo fisico quindi crediamo che esso esista questo ragionamento è un processo inconscio formalizzare la teoria della percezione ed integrarla con quella del credere e quella del senso comune.

41 per il ragionamento simbolico Regola: credo nelle mie percezioni a meno che abbia ragione di ritenere che c è qualcosa di anomalo nel processo percettivo Uso di logica non monotona per legare il concetto di percepire qualcosa alla sua esistenza Percepire oggetti o condizioni degli oggetti.

42 Pianificazione di azioni Sequenza di azioni per raggiungere uno scopo = primitive motorie? occorrono anche azioni sensoriali i piani sono condizionali: conoscenza incompleta azioni esogene effetti incerti di una azione

43 programmazione Soluzione pratica: Un programma indica le azioni al robot e tiene sotto controllo gli aspetti rilevanti del mondo esterno superare la programmazione: esempi, grafica, linguaggio,...

44 I sensori nei sistemi biologici Collegati ai comportamenti, ad esempio imitazione allinearsi nella direzione di uno stimolo cambiare direzione in risposta a uno stimolo cambiare velocita in risposta.

45 Il comportamentismo in robotica Costruire comportanmenti: azioni sensoriali ed azioni sono collegate non occorre un sistema gerarchico ma distribuito non occorre una memoria simbolica e centrale non occorre ragionamento simbolico

46 La cooperazione fra robot e umani Schemi gerarchici schemi distribuiti emergere del linguaggio emergere di comportamenti comuni