ITIA-CNR

IRAS

Intelligent and Autonomous Robot Systems

Obiettivi della ricerca

IRAS

La robotica che assiste e semplifica

IRAS sviluppa tecnologie per un'interazione robot, ambiente, operatore efficace, robusta e sicura. L'integrazione dell'informazione sensoriale nei modelli e nei controlli di sistemi robotizzati consente un utilizzo intuitivo, robusto e flessibile dei robot in applicazioni context-aware e una condivisione naturale e trasparente dello spazio di lavoro.

Malgrado la notevole flessibilità, il limite degli attuali robot industriali consiste nella necessità di incorporare nella programmazione la conoscenza esplicita relativa al task nominale da eseguire.
Lo studio e l'integrazione di capacità percettive e sensoriali più avanzate, combinata con un comportamento robusto rispetto a cambiamenti imprevisti, consente di estendere le potenzialità del robot stesso implementando modalità di funzionamento basate su competenze e comportamenti cognitivi. Inoltre, per minimizzare i rischi e massimizzare la flessibilità di utilizzo, la cooperazione con l'operatore deve sempre essere consentita, quando necessaria e utile.
L'obiettivo di IRAS consiste nello sviluppo di sistemi robotizzati capaci di adattarsi tramite un approccio cooperativo (uomo-robot e robot-robot) sicuro, intelligente, robusto e in gran parte autonomo alle intrinseche limitazioni di una conoscenza preordinata.
In questa visione, operatori e sistemi robotici gestiscono collaborativamente le incertezze proprie di ogni processo produttivo, operando e apprendendo sinergicamente gli uni dagli altri e dall'esperienza accumulata sul campo nel corso del tempo.
La collaborazione con gli operatori e/o tra robot costituisce la principale linea di ricerca lungo la quale IRAS svolge le proprie attività spaziando dalla condivisione sicura ed efficiente dello spazio operativo alla sincronizzazione del moto tra più manipolatori (affrontando quindi tematiche di collision avoidance, cooperazione ottima e/o scambio reciproco di forze), dall'interazione fisica robusta e sicura all'interazione fisica stabile con gli operatori e/o ambienti dinamici. Inoltre, IRAS è coinvolto in attività di ricerca finalizzate alla creazione di una percezione autonoma dell'ambiente basata sull'utilizzo di avanzati sistemi sensoriali (visione, contatto, movimento, forza) e di robusti algoritmi cognition-based.
Poichè dotare i sistemi robotizzati di nuovi comportamenti cognitivi è strettamente connesso alla concezione di innovative architetture di controllo e di processi di programmazione dinamica, IRAS conduce anche attività di ricerca inerenti allo sviluppo di architetture e algoritmi di controllo innovativi e di metodologie e strumenti multimodali per la programmazione intuitiva.


Dispositivo di Manual Guidance concepito da IRAS nell'ambito del progetto SMErobotTM e poi finalizzato come prodotto di COMAU SpA nell'ambito del contratto industriale "Metodi e device per la programmazione intuitiva di robot". EP2194434; JP2010149273; US2010145520; Finalista al 2009 EURON/EUnited Robotics Technology Transfer Award

L'analisi e la decomposizione di processi industriali, in termini di azioni e obiettivi simbolici e lo sviluppo di strategie di controllo e programmazione sensor-based sono attività fondamentali al fine di eseguire applicazioni industriali in modo autonomo e adattabile. Da ultimo, al fine di completare lo spettro delle competenze necessarie, IRAS è coinvolto in maniera rilevante anche nell'area del concurrent real-time control che contempla sia il controllo in soft real-time (esempi sono relativi ad alcune funzioni di ragionamento, alla valutazione della sostenibilità, alla selezione ed esecuzione delle azioni, all'adattamento e alla transizione smooth tra azioni diverse, all'esecuzione di algoritmi di controllo gerarchici e service-oriented) sia il controllo in hard-real-time (quali le funzioni di acquisizione di dati sensoriali, rilevamento di condizioni critiche, asservimento di attuatori, pianificazione di azioni senso-motorie e controllo di dispositivi automatici).

Assemblaggio automatico con controllo di interazione in presenza di geometrie, materiali e tolleranze non note a priori. Il controllo di interazione consente di sperimentare strategie di contatto cedevole con l'ambiente (processo di montaggio), di adattamento alle condizioni locali (tolleranze, disposizione dei pezzi, geometrie dei pezzi) sfruttando il corredo sensoriale interno senza l'ausilio di sistemi sensoriali esterni

Quanto descritto consente di comprendere l'impegno di IRAS nello sviluppo di sistemi dedicati alla riabilitazione neuromotoria assistita da robot. Dal 2008, infatti, IRAS sta sviluppando e sperimentando sistemi specifici per la riabilitazione neuromotoria robotizzata, attraverso l'analisi e l'ottimizzazione di innovative strategie di controllo del moto e di configurazioni meccaniche per rendere quanto più possibile efficace (in termini clinici), oltre che sicura, l'interazione tra robot e paziente in diversi scenari clinici. L'ambito riabilitativo, oltre allo scopo applicativo di dimostrare e migliorare l'efficacia terapeutica di nuovi trattamenti riabilitativi, consente di sperimentare le condizioni più sfidanti per quanto riguarda lo sviluppo di tecniche di controllo sensorfusion-based e lo sviluppo di soluzioni innovative per la sicurezza e l'affidabilità dell'interazione paziente-robot. Essi sono elementi chiave per raggiungere effettivi breakthrough e per ridurre incertezze e difficoltà nel definire terapie customizzate sulle reali inabilità del paziente.


Attività di ricerca

Sintesi e ottimizzazione di meccanismi a Struttura Cinematica Parallela e/o Ibrida. Nell'ultimo decennio IRAS ha lavorato sull'analisi, la progettazione e la validazione sperimentale di robot a struttura cinematica parallela e/o ibrida sviluppando sia prototipi innovativi che nuovi ambienti SW per l'analisi, la sintesi e l'ottimizzazione di tali robot. I risultati conseguiti sono stati applicati allo svilupppo di macchine e robot innovativi sia in ambito industriale che in ambito medico riabilitativo e chirurgico.
Interazione Fisica Sicura tra Uomo e Robot (pHRSI). È un ambito di studio molto ampio in cui IRAS focalizza Ie proprie attività di ricerca su: algoritmi real time per la condivisione sicura dello spazio di lavoro tra robot e operatori; soft-robotics (strutture meccaniche intrinsecamente sicure e algoritmi di controllo per l'interazione tra robot ed operatori); controllo di impedenza e dell'interazione; interfacce e dispositivi aptici; dispositivi multimodali per la programmazione semplificata e intuitiva dei robot; piattaforme di controllo real-time aperte, modulari e pc-based che consentano l'utilizzo dei robot in applicazioni in cui l'interazione autonoma e adattabile tra uomo e robot, robot e ambiente o tra robot e robot è necessaria; coordinamento e planning dinamico di sistemi multi-robot.
Interazione Robot-Ambiente. Un'ampia copertura delle problematiche relative al controllo dell'interazione, partendo dalla costruzione di modelli matematici dei manipolatori interagenti con ambienti dinamici complessi e procedendo con la progettazione e l'implementazione di diverse soluzioni per il controllo dell'interazione, è fondamentale al fine di ottenere un elevato livello di autonomia in svariate attività produttive (sbavatura, lucidatura, rettifica, ecc.).
Visione 3D. La visione artificiale è la tecnologia abilitante di IRAS nell'ambito del controllo e della programmazione sensorbased. L'acquisizione della posizione e della forma di oggetti in ambienti scarsamente strutturati, il tracking automatico del movimento, il riconoscimento automatico degli oggetti e l'estrazione di feature geometriche e/o tecnologiche, gli approcci di reverse engineering, sono fondamentali per raggiungere un'automazione robusta in molti processi industriali. IRAS sviluppa principalmente tecnologie e dispositivi per la scansione laser 3D focalizzandosi sullo sviluppo di efficienti algoritmi di calibrazione/compensazione volumetrica piuttosto che sull'elevata accuratezza intrinseca dei componenti meccanici e/o ottici, sviluppando dispositivi che conciliano accuratezza ed economicità.

Validazione clinica di RehaMSR - Rehabilitation Multisensory Room (RehaMSR) dedicato alla riabilitazione assistita da robot dell'arto superiore, concepito e sviluppato da IRAS in cooperazione con l'Ospedale Valduce. Il sistema integra diversi dispositivi per il feedback multisensoriale. La piattaforma è utilizzata da personale medico sia per investigare il comportamento neuromotorio umano che per validare protocolli riabilitativi innovativi

Robotica per applicazioni medicali. Le competenze e le attività di ricerca condotte da IRAS consentono una cross-fertilizzazione con il campo delle applicazioni medicali, in particolare negli ambiti della riabilitazione robotizzata e della chirurgia robotica, in cui è richiesto sia un approccio meccatronico integrato alla progettazione sia lo sviluppo di innovativi algoritmi di controllo dell'interazione al fine di far fronte alla complessità della struttura del corpo umano e alla necessità di realizzare dispositivi in grado di eseguire in sicurezza e autonomia terapie riabilitative e/o pratiche chirurgiche.
Accanto all'attività di ricerca concepita e promossa nell'ambito di progetti Regionali, Nazionali, Europei e Internazionali, IRAS è fortemente impegnato a promuovere la catena del valore della conoscenza contribuendo fattivamente a generare condizioni specifiche per il trasferimento tecnologico, la creazione di valore e il vantaggio competitivo nelle aziende - spesso PMI - del tessuto industriale Nazionale ed Europeo attraverso un'efficace attività di consulenza e la concezione e sviluppo preindustriale di prodotti fortemente innovativi.

Principali progetti di ricerca

SMEROBOTTM:
The European Robot Initiative for Strengthening the Competitiveness of SMEs in Manufacturing, EU FP6-NMP (2005-2009)
HYFLEXAIS:
Hyperflexible And Autonomous Industrial Robot System, Regione Lombardia - Cooperazione Scientifica Internazionale (2010-2011)
ROBOFOOT:
Smart robotics for high added value footwear industry, EU FP7 (2010-2013)
ACTIVE:
Active Constraints Technologies for Ill-defined or Volatile Environments, EU FP7-NMP (2011-2015)
FLEXPROD:
Sistemi di produzione flessibili ed eco-efficienti per veicoli su gomma, Ministero per lo Sviluppo Economico (2012-2015)
FLEXICAST:
Robust and FLEXIble CAST iron manufacturing, EU FP7-FoF (2012-2016)
SUSTAINABLE MANUFACTURING:
Cluster Fabbrica Intelligente, Cluster Tecnologici Nazionali, Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca (2013-2016)
RIPRENDO@HOME:
Recupero post-Ictus: Piattaforma per la RiabilitazionE Neuromotoria orientata al Domicilio, Accordo Quadro di collaborazione tra Regione Lombardia e il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) (2013-2016)
Contratti Industriali:
Metodi e device per la programmazione intuitiva di robot, COMAU S.p.A. (2007-2008)
Metodi e device per la programmazione sensor-based di robot, CIA Srl (2008-2010)
Metodi e device per il controllo del processo di taglio laser, Adige S.p.A. (2010-2013)
Metodi e device per la riparazione di grandi strutture in composito, Alenia Aermacchi S.p.A. (2013-2016)

3D Laser Scanner (dispositivi e metodologia) per i Beni Culturali sviluppato da IRAS nell'ambito del contratto industriale "Metodi e device per la programmazione sensor-based di robot" e del progetto di Cooperazione Scientifica Internazionale di Regione Lombardia HyFlexAIS

key words

Human-Robot Interaction Control; Environment-Robot Interaction Control; Robot Design, Dynamics and Control; Multi Robot Cooperation.

Contatto

Eng. Ph.D. Lorenzo Molinari Tosatti
IRAS Group responsible
lorenzo.molinari [at] itia.cnr.it
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