I bracci robotici antropomorfi
1.1 Introduzione
Il secolo appena iniziato sembra prospettarsi come quello della rivoluzine robotica. Basti riflettere su alcune cifre per capire come la robotica sia un campo in continua espansione:
secondo le stime fornite dall’UNECE (United Nation Economic Commission for Europe) ed in collaborazione con l’IFR (Internationale Federation of Robotics)[1] nel 2002 i robot industriali ammontavano a 769900, di cui 350170 in Giappone, 103500 negli Stati Uniti e 233000 nell’Unione Europea (con le sue 47000 unit`a istallate, l’Italia si pone al secondo posto in Europa, dopo la Germania, e al quarto posto nel mondo). Si prevede che per la fine del 2006 lo stock mondiale di robot industriali sar`a di 875000 unit`a, con un aumento annuo medio di circa il 4.5%. Stando alle medesime fonti `e la robotica di servizio che avr`a nel prossimo futuro la crescita maggiore, fino a superare il mercato delle tradizionali apparecchiature industriali.
La stessa IFR ha dato la seguente definizione di service robot:
Un robot che opera in maniera parzialmente o totalmente autonoma per compiere dei servizi utili al benessere dell’uomo o su apparecchiature, con l’esclusione di operazioni legate alla produzione.
La possibile ragione del successo della robotica di servizio, stando sempre alle medesime fonti, `e che essa spazia dall’intrattenimento alla medicina, con un campo molto ampio di possibili applicazioni.
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sizione dati, ecc.) e/o robot di servizio che non possono essere classificati nei precedenti due gruppi.
Alcuni esempi di robot appartenenti alla prima categoria sono:
• nell’ambito dell’assistenza personale, il Care-o-bot della Fraunhofer IPA (Figura 1.1), in grado di manipolare e trasporate oggetti, permette la videotelefonata e pu`o comunicare con altre apparecchiature della casa;
• nell’ambito medico-chirurgico, il Robot dda Vinci, utilizzato per interventi di chirur- gia mininvasiva del torace (Figura 1.2);
• per l’intrattenimento (settore nel quale l’industria giapponese si pone come riferi- mento mondiale) si annovera il cagnolino robotico Aibo della Sony (Figura 1.3), o anche ASIMO, il robot umanoide prodotto dalla Honda Motor Co. (Figura 1.4);
• nell’ambito medico-neuroriabilitativo, il MIT-Manus, un robot planare a 2 gradi di libert`a (gdl), capace di somministrare ad un paziente affetto da emiparesi post-ictale una corretta terapia riabilitativa robot-assistita, per l’arto superiore (Figura 1.5).
Tra i robot per servizi su apparecchiatura si fa riferimento al robot prodotto dalla Reis Robotics, in grado di rifornire di carburante le auto (Figura 1.6). Alla terza categoria appartengono macchine come l’HACOmatic costruito dalla Hako-Werke, dedicato alla pulizia di grandi superfici (supermercati, stazioni ferroviarie, aeroporti, ecc.) e in grado di contare su capacit`a di navigazione completamente autonome.
In quasi tutti i sistemi robotici, da quelli industriali a quelli di servizio, `e ricorrente la
presenza di bracci robotici. Ci`o si spiega con il tentativo continuo da parte dell’uomo di
replicare le principali funzionalit`a del proprio arto superiore: reaching, catching, grasping
Figura 1.1: Immagine del robot Care-o-bot della Fraunhofer IPA.
Figura 1.2: Immagine del robot da Vinci utilizzato per chirurgia mininvasiva.
e manipulation di un oggetto. Per ottenere queste funzionalit`a nel modo pi` u biomorfo possibile, a partire dai tradizionali bracci robotici industriali, tra i quali si annovera il PUMA robot (manipolatore sferico a 6 gdl), la ricerca sta cercando sempre pi` u di rendere tali sistemi antropomorfi. La strategia seguita `e generalmente la progettazione bioispirata della meccanica e quindi della disposizione dei gradi di libert`a, della configurazione e della tipologia dell’attuazione, degli schemi di controllo e dell’apparato sensoristico.
1.2 L’arto superiore umano
Per indagare le caratteristiche dei bracci robotici antropomorfi, non c’`e miglior modo che partire dallo studio delle caratteristiche biomeccaniche dell’arto superiore dell’uomo.
L’arto superiore svolge una duplice funzione: esplorativa e prensile. Esso `e l’organo
portante della mano, che `e sia un organo di presa che sensoriale.
Figura 1.3: Immagine del cane robotico Aibo, prodotto e commercializzato dalla Sony.
Figura 1.4: Immagine del robot umanoide ASIMO, prodotto e commercializzato dalla Honda Motor Co.
L’arto superiore `e costituito da 2 segmenti e 3 giunti, per un totale di 7 gdl. I segmenti sono il braccio e l’avambraccio. I giunti sono: la spalla, il gomito ed il polso (Figura 1.7).
L’articolazione della spalla (Figura 1.8) `e caratterizzata d 3 gdl, i quali permettono lo svolgimento di 3 movimenti:
• flessione/estensione intorno all’asse trasversale;
• adduzione/abduzione intorno all’asse sagittale;
• rotazione interna/esterna intorno all’asse longitudinale dell’arto.
Il gruppo scheletrico della spall consta di tre articolazioni: la sterno-clavicolare, la
scapolo-omerale e la acromio-clavicolare. Il movimento della spalla `e determinato, oltre
che dall’accoppiamento sferico omero-glenoidale, anche dal moto della scapola, che pu`o
Figura 1.5: Immagine del robot per neuroriabilitazione MIT-Manus.
Figura 1.6: Immagine del robot sviluppato dalla Reis Robotics per l’automatizzazione dell’operazione di refueling.
essere: abduzione-adduzione, innalzamento e abbassamento, mediale sul torace, rotazione di abbassamento e innalzamento.
I muscoli principalmente coinvolti nel movimento della spalla sono: il deltoide, il trapezio, il coracobrachiale, il dentato superiore, il sopraspinato.
L’articolazione del gomito `e caratterizzata da 1 gdl, che permette lo svolgimento del solo movimento di flessione/estensione intorno all’asse trasversale (Figura 1.9).
L’articolazione del gomito `e determinata dall’accoppiamento dell’omero con l’ulna e il radio.
In ultimo, l’articolazione del polso che `e caratterizzata da 3 gdl, che permettono 3 movimenti:
• abduzione-adduzione intorno all’asse trasversale;
• prono-supinazione intorno all’asse longitudinale;
• flesso-estensione intorno all’asse sagittale.
Figura 1.7: L’arto superiore dell’uomo.
L’articolazione del polso `e molto complessa, ed origina dalle 8 ossa carpali e dalle 5 ossa metacarpali.
1.3 Bracci robotici antropomorfi
Si passa adesso alle descrizioni di alcuni bracci robotici antropomorfi, tra i pi` u noti della letteratura scientifica.
1.3.1 DLR Arm
Uno dei principali punti di riferimento per la progettazione e la realizzazione di braccia robotiche artificiali `e il DLR Institute of Robotics and Mechatronics, con sede in Germania.
Al DLR, sono arrivati alla terza generazione di light-weight Robot Arm. Il loro obiettivo
`e quello di sviluppare un braccio robotico antropomorfo per l’assistenza personale [2]. Il
DLR Arm (Figura 1.10) `e un manipolatore a 7 gdl, con motori calettati sugli assi giunti,
e con elettronica, compresa quella di potenza, integrata all’interno del braccio. Ciascun
giunto `e munito di sensori di posizione e di coppia, cos`ı da permettere l’implementazione di
strategie di controllo differenti: controllo in velocit`a, in posizione ed in coppia [3]. Il DLR
Arm `e in genere equipaggiato con la DLR Hand, munita di 4 dita e di 13 gdl, ciascuno dei
quali attuato direttamente da motori integrati nella mano stessa.
Figura 1.8: I possibili movimenti della spalla.
DLR Arm and Hand possono essere utilizzati in due principali differenti modalit`a:
• teleoperazioni: un operatore controlla i movimenti del robot e riceve da esso un feed-back sensoriale (visivo, acustico, aptico, tattile); questa modalit`a permette di utilizzare questo dispositivo per applicazioni nelle quali `e messa in pericolo la vita dell’operatore (operazioni di sminamento e disinnesco), oppure in applicazioni che si svolgono in posti non facilmente accessibili per l’uomo (mondo subacqueo, spazio); in definitiva, l’operatore pu`o intervenire in uno scenario, senza necessariamente essere fisicamente presente;
• operazioni autonome: sfruttando le potenzialit`a di generalizzazione degli algoritmi neurali, il robot si sottopone ad una libreria di task, li apprende, e pu`o ripeterli autonomamente, su richiesta dell’operatore.
1.3.2 Piattaforma PALOMA e Dexter Arm
PALOMA `e una piattaforma robotica per esperimenti di neuroscienza, sviluppata presso l’ARTS Lab, Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa. Questa piattaforma, utilizzata per la validazione di modelli di apprendimento [4], consiste di:
• una mano a 3 dita, con 3 gdl per ciascun dito, pi`u l’adduzione-abduzione del pollice;
Figura 1.9: L’articolazione del gomito.
• una testa a 7 gdl equipaggiata con un sistema di visione stereoscopico (4 gdl per il collo, 3 gdl per le telecamere);
• un braccio robotico DEXTER 1 antropomorfico ad 8 gdl (2 gdl per il tronco, 2 gdl per la spalla, 1 gdl per il gomito, 3 gdl per il polso), attuazione in remoto e trasmissione a cavi e pulegge.
1.3.3 NASA Robonaut
Robonaut `e un robot umanoide progettato dal Robot Systems Technology Branch presso il Johnson Space Center della NASA in collaborazione con DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). Il progetto Robonaut vuole sviluppare un sistema robotico che possa essere impiegato in attivit`a extra veicolari, al posto degli astronauti, il cui ruolo sarebbe quello di tele-controllare il disposititvo robotico [5]. Robonaut `e in grado di riconoscere le voci, le faccie e le forme. Possiede mani a 12 gdl e braccia antropomorfiche a 7 gdl. ` E munito di un sistema di visione ed `e in grado di controllare l’impdenza meccanica durante l’interazione con l’ambiente esterno.
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