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Obiettivi della tesi
Il presente lavoro di tesi si colloca all’interno di un progetto di robotica biomimetica volta a creare un robot ispirato all’Octopus vulgaris, un mollusco della classe dei cefalopodi che possiede straordinarie capacità funzionali e abilità motorie sorprendenti nonostante la sua bassa posizione nella scala evolutiva. Si pensa che tali caratteristiche siano dovute alla particolare morfologia che il polpo presenta e che rappresentino una dimostrazione di quanto stretto sia il rapporto tra morfologia e comportamento.
Il polpo non possiede strutture rigide e proprio per questo esso si può adattare all’ambiente andando incontro a grandi deformazioni strutturali (ad esempio le sue braccia possono allungarsi e assottigliarsi per entrare in piccole fessure). Il polpo è provvisto di otto braccia che possono attorcigliarsi, modificarsi in termini di lunghezza, piegarsi in ogni punto ed in tutte le direzioni. Il controllo di cotanti gradi di libertà è distribuito e semplificato grazie all’impiego di movimenti stereotipati. Inoltre, nonostante manchi di un supporto scheletrico rigido, il polpo può aumentare la rigidezza delle sue braccia ed esser così capace d’imprimere notevoli forze ad oggetti esterni. Le otto braccia sono utilizzate per spostarsi su diversi tipi di substrati del fondo del mare e per raggiungere, afferrare e persino manipolare gli oggetti con sorprendente destrezza.
Poiché il braccio del polpo presenta, dal punto di vista ingegneristico, tali interessanti caratteristiche esso è fonte d’ispirazione per lo sviluppo di un manipolatore del tipo “continuum robot”. Il progetto OCTOPUS, infatti, mira a investigare e comprendere i principi che permettono al polpo di possedere queste capacità senso-motorie e ad incorporarle in nuovi approcci di progettazione e tecnologie che permettano di costruire artefatti destri iper-ridondanti e soft. Verrà, quindi, costruito un artefatto robotico che potrà muoversi sott’acqua su una certa varietà di terreni, esplorare spazi angusti, afferrare oggetti e manipolarli.
Il progetto prevede una cooperazione interdisciplinare tra gruppi di lavoro rispettivamente nei settori della biologia e dell’ingegneria. Infatti, viene sempre maggiormente riconosciuto come entrambe le discipline possano beneficiare di una ricerca condivisa secondo il paradigma della ricerca biomimetica. La biologia da una parte fornisce conoscenza e modelli dei sistemi biologici dai quali trarre ispirazione per sviluppare sistemi biomimetici; lo sviluppo di sistemi biomimetici dall’altra fornisce ulteriori informazioni riguardo agli
2 organismi ai quali sono ispirati e può perfino fornire uno strumento interessante per la ricerca sperimentale sugli stessi.
Una delle idee più importanti che fanno da fondamento al progetto è rappresentata dal principio dell’embodiment, basato sul concetto che “l’intelligenza ha bisogno di un corpo”. La ricerca robotica in questo modo si allontana dalla concezione tradizionale che riduce il comportamento adattivo a controllo e computazione. L’approccio dell’embodiment o “intelligenza meccanica” pertanto è fondamentalmente basato sul concetto che in natura il comportamento adattativo emerge dall’interazione dinamica tra morfologia, controllo senso-motorio e ambiente. Nel progetto OCTOPUS “l’intelligenza meccanica” del braccio di questo mollusco, data dalle proprietà meccaniche dei suoi tessuti e dalla morfologia della sua struttura muscolare, è primariamente vagliata e presa in considerazione per sviluppare la struttura meccanica dell’artefatto.
Questo lavoro nasce e s’inserisce nel contesto del progetto OCTOPUS e da esso eredita l’enorme rilevanza che i principi del biomimetismo e dell’embodiment rivestono nella ricerca. Concetti ai quali è stato dato ampio risalto all’interno del primo capitolo di questa tesi, volto a spiegare tali principi anche attraverso esempi di applicazione biorobotiche e d’intelligenza meccanica di successo. Successivamente viene fornita una doverosa analisi dell’anatomia e dei principi biomeccanici che sottendono i movimenti del polpo. Tra questi movimenti viene analizzato in particolare il movimento di reaching.
Il presente lavoro di tesi, infatti, si propone come obiettivo di ricreare proprio il movimento di reaching del polpo utilizzando la teoria biologica del pattern di attivazione muscolare e un artefatto creato ad hoc.
Il movimento di reaching viene utilizzato dal polpo per raggiungere gli oggetti che entrano nel suo campo visivo. Il polpo, infatti, usa un numero limitato di pattern motori stereotipati per raggiungere, prendere o ispezionare un oggetto. Il movimento di reaching si origina creando una piega, in genere vicino alla base del braccio (ma può essere creata ovunque lungo il braccio), poi propagata lungo il braccio in senso prossimo-distale. Il segmento del braccio in posizione prossimale rispetto alla piega (la quale è il punto di massima curvatura del braccio) è mantenuto relativamente dritto. Il percorso di tale piega rimane su un piano ed essa si propaga secondo un profilo di velocità costante, mostrando sempre la parte orale (dove sono presenti le ventose). Sono state suggerite due modalità di propagazione della piega lungo il braccio. Una prima ipotesi propone che il pattern descritto per creare il movimento di bending possa essere propagato lungo il braccio creando un movimento di
3 estensione. Tale pattern consiste nella contrazione delle fibre muscolari lungo un lato del braccio e la contrazione dei muscoli trasversali. La seconda ipotesi, a cui ci si è ispirati nel presente lavoro di tesi, propone che il braccio del polpo venga esteso grazie al passaggio di un onda di stiffening (irrigidimento). Tale onda si propagherebbe per tutta la lunghezza del braccio (in direzione centrifuga) e sarebbe biologicamente ottenuta con la contrazione simultanea e di ugual intensità dei muscoli trasversali e longitudinali agenti sulla stessa porzione di braccio.
Per replicare questo funzionamento è stato studiato e sviluppato un meccanismo specifico che permette di ottenere un effetto congiunto di contrazione in direzione longitudinale e trasversale causando un irrigidimento locale. Tale meccanismo è stato implementato in un mock-up, un artefatto costruito ad hoc per validare un’ipotesi formulata su una specifica parte di un prototipo che, quindi, a differenza di quest’ultimo, non presenta tutte le parti costitutive previste nell’artefatto finale. Le semplificazioni presenti, infatti, sono biologicamente accettabili e giustificabili dal fatto che il mock-up è stato specificamente realizzato per la riproduzione del solo movimento di reaching. Grazie ad esso si può simulare, infatti, solo la co-contrazione di due gruppi muscolari del polpo, presupposto per il tentativo di validazione dell’ipotesi dell’onda di stiffening.
Il setup utilizzato per gli esperimenti comprende un acquario, una struttura meccanica portante, un mock-up, una hardware di controllo, servomotori ed un personal computer con un software dedicato. Nel terzo capitolo è possibile ritrovare una descrizione più estensiva della piattaforma utilizzata. In un primo momento tale setup viene utilizzato per attuare un mock-up a soli quattro cavi longitudinali (che corrono parallelamente all’asse maggiore del braccio) azionati da quattro servomotori. Questo primo approccio è servito ad acquisire una maggiore conoscenza del comportamento - in seguito all’attivazione - dei materiali impiegati nel mock-up, a comprendere bene il funzionamento dei motori in connessione con i cavi del mock-up, ad approfondire la conoscenza della struttura del software dedicato e ad osservare i risultati nel comportamento del mock-up ottenuti dall’attivazione di più cavi contemporaneamente.
Il software originario era in grado di attuare solo quattro servomotori, mentre il setup per attuare il mock-up a 40 cavi ne richiede almeno 13. Si è quindi provveduto a portare a termine le modifiche che rendessero possibile controllare tutti i 13 motori necessari ad azionare i mock-up a cavi longi-trasversali. A questo punto è stato possibile implementare la prima simulazione del pattern di movimento sotteso al movimento di reaching. In seguito il lavoro è progredito parallelamente su due fronti. Da una parte è stato necessario un
4 esauriente studio del materiale di ricerca biologica sui pattern di attivazione muscolare e di movimento del polpo e dall’altra una ricerca del miglioramento del movimento ottenuto dal mock-up partendo da uno studio più approfondito dei componenti della piattaforma e del loro funzionamento. Grazie alla prima parte del lavoro è stato possibile selezionare, dall’ampia letteratura disponibile in merito, alcune caratteristiche salienti che descrivono e definiscono il movimento di reaching in termini qualitativi. Tali connotazioni comprendono, ad esempio, la planarità del movimento e la velocità costante con cui la piega si propaga. Nella letteratura di riferimento sono state descritte anche le caratteristiche cinematiche del movimento di reaching del polpo: di particolare interesse appare l’individuazione del profilo della velocità trasversale della posizione della piega nel braccio. Tale parametro è risultato rimanere invariato in tutti i movimenti di reaching analizzati e, per tale ragione, è stato scelto in questo lavoro di tesi come parametro di raffronto con il dato biologico.
L’altro fronte su cui si è svolto il nostro lavoro ha portato ad un’ottimizzazione dei parametri della piattaforma multi-purpose attraverso mirate modifiche dell’algoritmo di controllo. Con tali variazioni si sono potute ottimizzare le tempistiche della attuazioni-motore, il duty-cycle dei servomotori per le varie fasi del movimento e si è potuto ottenere un algoritmo di controllo più snello, liberandolo da inutili ridondanze. È stato anche possibile realizzare un controllo interattivo a cui viene aggiunta la capacità di memorizzare le migliorie effettuate per poi trasferirle in automatico nel movimento seguente.
Dal momento in cui la parte teorica proveniente dagli studi biologici è stata integrata con l’implementazione del controllo si è steso un protocollo di sperimentazione. In tali esperimenti sono stati variati parametri come l’ampiezza della retroflessione iniziale, il punto di partenza della piega nel braccio e l’angolo della base del braccio. Il protocollo di esecuzione degli esperimenti è riportato nel quinto capitolo.
Per ogni esperimento vengono creati due video, rispettivamente in proiezione frontale e laterale, che vengono entrambi analizzati da un software di tracking. Nel sesto capitolo di questo scritto è descritto come tali filmati sono elaborati per ottenere dei parametri per rendere possibile il raffronto diretto tra il movimento simulato con la piattaforma robotica e quello dell’animale.
Oltre agli obiettivi primari prefissati il presente lavoro ha prodotto una ricca documentazione video utilizzabile anche per elaborazioni future e modifiche del controllo
5 del mock-up che possono facilitare ulteriori lavori sulla riproduzione di pattern di movimento in mock-up simili.
Riassumendo, quindi, nell’ottica di uno studio biomimetico completo si è voluta testare l’ipotesi biologica dell’estensione del braccio del polpo sottesa dall’onda di stiffening con un’implementazione pratica su una piattaforma robotica. Le sperimentazioni eseguite hanno confermato che l’onda di stiffening riesce a stendere il mock-up ed hanno pertanto validato l’ipotesi che sta alla base della costruzione del mock-up stesso, rendendo il lavoro completo dal punto biomimetico.
Il lavoro svolto nella presente tesi fornisce un modello utile ai fini dell’approccio utilizzabile per il confronto dei movimenti del polpo descritti in letteratura ed una prima base per future implementazioni di questi in piattaforme robotiche.
