2 - durata del progetto di ricerca 3 - coordinatore …...prototypes based on magnetorheological...

MINISTERO DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCADIREZIONE GENERALE PER IL COORDINAMENTO E LO SVILUPPO DELLA RICERCAPROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALERICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (DM n. 1175 del 18 settembre 2007)

PROGETTO DI UNITÀ DI RICERCA - MODELLO BAnno 2007 - prot. 2007CCRNFA_005

1 - Area Scientifico-disciplinare

09: Ingegneria industriale e dell'informazione100%

2 - Durata del Progetto di Ricerca24 Mesi

3 - Coordinatore Scientifico

DE LUCA ALESSANDRO

Professore Ordinario

Università degli Studi di ROMA "La Sapienza"

Facoltà di INGEGNERIA

Dipartimento di INFORMATICA E SISTEMISTICA

4 - Responsabile dell'Unità di Ricerca

BICCHI ANTONIO

Professore Ordinario 01/06/1959 BCCNTN59H01G870P

Università degli Studi di PISA

Dipartimento di SISTEMI ELETTRICI E AUTOMAZIONE

0502217060(Prefisso e telefono)

0502217051(Numero fax)

[email protected]

5 - Curriculum scientifico

Testo italianoAntonio Bicchi e' Professore Ordinario di Automatica(ING-INF04) presso la Facolta' di Ingegneria di Pisa. Dopo il Dottorato di Ricerca (Univ. di Bologna, 1988), e'stato presso il MIT (Cambridge, MA, USA, 1988-1991) e presso il Centro Interdipartim. di Ricerca ``E. Piaggio'' della Univ. di Pisa, dove coordina le attivita' diAutomazione e Robotica dal 1990 ad oggi. Dal 2003 è Direttore di questo Centro, in cui si svolgono ricerche in Automazione e in Bioingegneria. E' autore di circa200 lavori su rivista, libro e atti di conferenze revisionate e pubblicate, e di 4 Brevetti Industriali.

Tra le più importanti attivita' e riconoscimenti si ricordano:* Vice Presidente (2006-2008) della "IEEE Society of Robotics and Automation"

* Distinguished Lecturer della "IEEE R&A Society"

* Membro dell' Executive Committee della Network of Excellence "HYCON - Hybrid Control: Taming Heterogeneity and Complexity of Networked EmbeddedSystems", C.E. FP6 IST Grant 511368-2004

* Membro del Key Area Coordination Committee per la Network of Excellence ``EURON - European Robotics Network'', FP6 IST Grant 507728-2003

* General Chair della conferenza internazionale "Hybrid Systems: Computation and Control", Pisa, Aprile 2007

* General Chair della conferenza internazionale "IEEE First Joint Haptics Symposium and Eurohaptics - WORLDHAPTICS 2005" Pisa, Marzo 2005

* Invited Distinguished Lecturer alle Jornadas Nacionales de Robotica, Santander, Spain; Relatore plenario alla Conferenza "Europhaptics 2001", Birmingham,all'Int. Seminar Robotics and Mechatronics, 2000; IEEE ICRA 1997 (panel ``Grand Challenges in Robotics''); Symp. Int. Fed. Theory of Machines & Mechanisms,1992.

* Vice Program Chair per l'Europa della IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation nel 2002 e nel 2005, oltre ad aver servito nel Comitato di molti altri eventi

MUR - BANDO 2007 - * MODELLO B * - 1 -

Ministero dell Università e della Ricerca,scientifici internazionali.* Membro di Ph.D. Review Committees presso il KTH di Stoccolma, l'ETH di Zurigo, ed altre Universita' europee, e di Panel di valutazione scientifica per la C.E. eper agenzie scientifiche di Svezia, Paesi Bassi, U.S.A.

* Coordinatore del progetto C.E. FP6 2005 ``Phridom'' (Physical Human Robot Interaction in Anthropic Domains), e responsabile scientifico dei progetti:**FP6 IST-2004-004536 ``RUNES'' (Reconfigurable Ubiquitous Networked Embedded Systems);**FP5 IST-2001-38040 ``TOUCH-HAPSYS'' (Towards a Touching Presence: Hight-Definition Haptic Systems);**FP5 IST-2001-37170 project ``RECSYS'' (Real-Time Embedded Control of Mobile Systems with Distributed Sensing);**TEMPUS project ``Edutrac'' (Accreditation and Certification In Industrial Metrology);**NATO CRG Grant ``Motion Planning for Air Traffic Management Systems (ATMS)'' (with U.C. Berkeley);**Scientific Cooperation Joint project (Poland Ministry for University) ``Statistical Methods for evaluation and design of multivariate sensors'' (with Univ. Wroclaw).**ONR-CNR Bilateral Research Program on ``Whole-Arm and Enveloping Manipulation'' (with MIT - AI Lab).

* Membro dell'"Advisory Committee" della "IEEE Society of Robotics and Automation" (2000-2003)

* Presidente del Comitato Tecnico della "IEEE Control Systems Society" per "Manufacturing, Automation and Robotics"

* Associate Editor dell'"Int. Journal of Robotics Research", della IEEE Robotics and Automation Magazine, delle "IEEE Transactions on Robotics and Automation"(1996-2000) e di "Applied Mathematics and Computer Science"

* Presidente del comitato di programma del workshop IEEECSS/RAS "Control Problems in Robotics", Las Vegas dicembre 2002;

* Organizzatore di due Workshop IEEE-RAS e del primo Int. Workshop on Mathematical Control Theory and Robotics;

* Relatore Invitato, IFAC Works. Hamiltonian and Lagrangian Methods in Nonlinear Control, 2000; AMS SRI 1997 Differential Geometry and Control; IEEECSS/RAS Work. Control Problems in Robotics and Automation; CICESE/CINVESTAV Work. Nonlinear Control and Robotics; NSF/ONR Work. Human and MachineHaptics; Work. Robustnes in Identification and Control; School on Modelling and Control of Mechanical Systems; HEROS 1996; VII e IX Simposio ISRR.

Testo ingleseANTONIO BICCHI is Professor of Robotics at the School of Engineering, Univ. of Pisa. After his Ph.D. (Univ. Bologna, 1988), he has been with MIT (Cambridge,MA, USA, 1988-1991) and with the Interdept. Research Center ``E. Piaggio'',Univ. Pisa. His research interests are in Automatic Control and Robotics. At CentroPiaggio, where an interdisciplinary research agenda in Automation and Bioengineering is brought forward, he is in charge of the Automation and Robotics group,and Director.Among his activities are:* Vice President (2006-2008) and Distinguish lecturer of "IEEE Society of Robotics and Automation"

* Member of the Advisory Committee, IEEE Society of Robotics and Automation;

* Chairman, IEEE Control Systems Society Technical Committee on Manufacturing, Automation and Robotics

* Associate Editor, Int. Journal of Robotics Research, IEEE Robotics and Automation Magazine, IEEE Transactions on Robotics and Automation (1996-2000),Applied Mathematics and Computer Science (1996-2001)

* Program Chairman, IEEE-RAS/CSS joint Workshop on Control Problems in Robotics, Las Vegas, December 2002;

* Chairman, Best Paper Award Committee, IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, ICRA'02, Washington, D.C.;

* Vice Program Chair for Europe, IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, ICRA'02, Washington, D.C.;

* Co-Organizer of two IEEE Robotics and Automation Society workshops in 1998 and 1996; Organizer of the first Int. Workshop on Mathematical Control Theoryand Robotics (2000);

* Keynote Speech: "Tactile Flow", Eurohaptics 2001, Birmingham, UK. Plenary speaker at the 2001 Int. Seminar Robotics and Mechatronics, 2000; IEEE ICRA 1997(panel ``Grand Challenges in Robotics''); Symp. Int. Fed. Theory of Machines & Mechanisms, 1992. Invited speaker at IFAC Works. Hamiltonian and LagrangianMethods in Nonlinear Control, 2000; IEEE CSS/RAS CPRA 1997; ICESE/CINVESTAV NLC&R 1997; NSF/ONR H&MH 1997; AMS SRI 1997.

* IPC member in ca. 40 Int. Conferences

* Principal investigator of research grants from CEE (IST, ESPRIT and TEMPUS), Italian Space Agency (ASI), ENEA, bilateral (Italy--USA) CNR/NSF andCNR/ONR , FIAT Auto. He is author of ca. 150 papers in international journals, books, and edited proceedings, and holds 4 patents.

6 - Pubblicazioni scientifiche più significative del Responsabile dell'Unità di Ricerca

1. A. BALLUCHI, BICCHI A., E. MAZZI, A. SANGIOVANNI-VINCENTELLI, AND G. SERRA. (2007). Hybrid Modeling and Control of theCommon-Rail Injection System. INTERNATIONAL JOURNAL OF CONTROL. ISSN: 0020-7179. accepted for publication.

2. A. DE SANTIS, B. SICILIANO, A. DE LUCA, BICCHI A. (2007). An atlas of physical human-robot interaction. MECHANISM AND MACHINETHEORY. ISSN: 0094-114X. in press- available online as a preprint.

3. B. PICASSO, BICCHI A. (2007). Controlled invariance analysis of quantized LTIDT single-input systems: hypercubes in controller form areminimal invariants. NONLINEAR ANALYSIS. ISSN: 0362-546X.

4. B. PICASSO, BICCHI A. (2007). On the Stabilization of Linear Systems Under Assigned I/O Quantization. IEEE TRANSACTIONS ONAUTOMATIC CONTROL. ISSN: 0018-9286. in stampa settembre 2007.

5. BICCHI A., A. DANESI, G. DINI, S. LA PORTA, I.M. SAVINO, L. PALLOTTINO, R. SCHIAVI. (2007). A safe and secure component-basedplatform for heterogeneous multi-robot systems. IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION MAGAZINE. ISSN: 1070-9932.

6. BICCHI A., E.P. SCILINGO, E. RICCIARDI, P. PIETRINI. (2007). Tactile flow explains haptic counterparts of common visual illusions.BRAIN RESEARCH BULLETIN. ISSN: 0361-9230. in stampa.

7. C. BELTA, BICCHI A., M. EGERSTEDT, E. FRAZZOLI, E. KLAVINS, G. J. PAPPAS. (2007). Symbolic Planning and Control of Robot Motion:State of the Art and Grand Challenges. IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION MAGAZINE. vol. 14(1), pp. 61-70 ISSN: 1070-9932.

8. E. RICCIARDI, N. VANELLO, L. SANI, C. GENTILI, E. P. SCILINGO, L. LANDINI, M. GUAZZELLI, BICCHI A., J. V. HAXBY, AND P.PIETRINI. (2007). The Effect of Visual Experience on the Development of Functional Architecture in hMT+. CEREBRAL CORTEX. ISSN:1047-3211. in stampa.

9. K.-E. ARZEN, BICCHI A., G. DINI, S. HAILES, K. H. JOHANSSON, J. LYGEROS, AND A. TZES. (2007). A component-based approach to thedesign of networked control systems. EUROPEAN JOURNAL OF CONTROL. pp. 2-3 ISSN: 0947-3580. Invited paper.

10.L. PALLOTTINO, V. G. SCORDIO, E. FRAZZOLI, BICCHI A. (2007). Decentralized cooperative policy for conflict resolution in multi-vehicle


Ministero dell Università e della Ricerca,systems. IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS. ISSN: 1552-3098. cond. accepted.

11.R. FILIPPINI, S. SEN, BICCHI A. (2007). Variable Impedence Actuations for Physical Human Cooperating Robots: a Comparative Analysis ofPerformance, Safety and Dependability. IARP-IEEE/RAS-EURON Workshop on Technical Challenges for Dependable Robots in HumanEnvironments.

12.R. FILIPPINI, S. SEN, G. TONIETTI, BICCHI A. (2007). A Comparative Dependability Analysis of Antagonistic Actuation Arrangements forEnhanced Robotic Safety. IEEE Trans. on Robotics and Automation. (pp. 4349-4354).

13.R. RIZZO, N. SGAMBELLURI, E. P. SCILINGO, M. RAUGI, BICCHI A. (2007). Electromagnetic Modeling and Design of Haptic InterfacesPrototypes based on MagnetoRheological Fluids. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS. ISSN: 0018-9464.

7 - Elenco dei partecipanti all'Unità di Ricerca

7.1 - ComponentiComponenti della sede dell'Unità di Ricerca

nº Cognome Nome Università/Ente Qualifica Impegno

1°anno

2°anno

1. BICCHI Antonio Università degli Studi di PISA Professore Ordinario 6 6

2. LANDI Alberto Università degli Studi di PISA Professore Straordinario 6 6

3. ZINI Giancarlo Università degli Studi di PISA Professore Ordinario 6 6

TOTALE 18 18

Componenti di altre Università / Enti vigilati

Nessuno

Titolari di assegni di ricerca

Nessuno

Titolari di borse

nº Cognome Nome Università/Ente Qualifica Impegno

1°anno

2°anno

1. GRIOLI Giorgio Università degli Studi di PISA Dottorando 2 2

2. PALLOTTINO Lucia Università degli Studi di PISA Borsista post doc 2 2

3. SCHIAVI Riccardo Università degli Studi di PISA Dottorando 2 2

4. WEILEMANN BELO Felipe Augusto Università degli Studi di PISA Dottorando 2 5

TOTALE 8 11

7.2 - Altro personale

Nessuno

7.3 - Personale a contratto da destinare a questo specifico Progetto

nº Tipologia di contratto Costo Impegno Noteprevisto 1° anno 2° anno

1.Borsista 24.000 5 5 Da definire

TOTALE 24.000 5 5


Ministero dell Università e della Ricerca,

7.4 - Dottorati a carico del PRIN da destinare a questo specifico Progetto

Nessuno

8 - Titolo specifico del Progetto svolto dall'Unità di Ricerca

Testo italianoProgetto, Sviluppo e Controllo di Meccanismi ad Impedenza Variabile per Robot ad Alte Prestazioni in Interazione Diretta e SICURA con l'Uomo.

Testo ingleseDesign, Realization and Control of Variable Impedance Mechanisms for High-Performance and Safe Physical Human-Robot Interaction.

9 - Abstract del Progetto svolto dall'Unità di Ricerca

Testo italianoI robot progettati per la cooperazione con l'uomo, ad esempio nella manipolazione assistita, l'assemblaggio cooperativo, le attività domestiche, l'intrattenimento, lariabilitazione e le applicazioni mediche, devono soddisfare requisiti ben diversi da quelli che tipicamente si incontrano nelle applicazioni industriali convenzionali. Irobot pensati per l'applicazione in tali aree potrebbero infatti rinunciare a prestazioni elevatissime ad esempio di rigidezza o accuratezza, a vantaggio dimiglioramenti della loro sicurezza, affidabilità e più in generale della loro "dependability" in ambienti dinamici che cambiano in maniera non predicibile. Data talediscrepanza nei requisiti, questo progetto punta sostanzialmente all'avanzamento dello stato dell'arte nella progettazione e nel controllo dei robot, al fine dipermettere una interazione fisica intrinsecamente sicura tra uomo e robot.Il progetto SICURA si propone di sviluppare componenti chiave per la prossima generazione di robot, i quali dovranno soddisfare agli standard di sicurezza piùstringenti, ma allo stesso tempo continuare a fornire prestazioni elevate. Questo pone delle nuove sfide nella progettazione di tutte le componenti del robot: lameccanica, il controllo, gli algoritmi di pianificazione e i sistemi di supervisione.Il contributo di UNIPI a SICURA si ispira ad un approccio di progettazione integrata, un co-progetto del sistema robotico per l'interazione sicura tra uomo e robot.Questo approccio rivoluziona il classico paradigma della progettazione dei robot industriali - strutture rigide per l'accuratezza, controllo attivo per la sicurezza -trasformandolo in un nuovo paradigma: progettare robot che sono intrinsecamente sicuri, e controllarli per recuperare elevate prestazioni.Il lavoro svolto a Pisa per SICURA, consisterà nel creare e implementare:1) progetti e prototipi di attuatori innovativi;2) nuovi algoritmi robusti e affidabili per la supervisione e la pianificazione;3) nuovi algoritmi di controllo che gestiscano l'interazione sicura uomo-robot e con un comportamento di tipo "fault-tolerant".UNIPI contribuirà inoltre a SICURA per quanto riguarda:4) l'integrazione di queste componenti in sottosistemi significativi da un punto di vista funzionale;5) la valutazione quantitativa di componenti e sottosistemi tramite analisi sperimentali.Come menzionato nel modello A, UNIPI sarà responsabile della coordinazione del Workpackage PLAN (Pianificazione), e contribuirà anche ai Workpackage MECCe CONT.Per quanto riguarda PLAN, UNIPI si focalizzerà sui problemi di sicurezza, robustezza e affidabilità, che sono molto complessi e multidisciplinari, cosicché in unprimo passo verranno identificati i requisiti per il ristretto insieme di tecnologie che verrà sviluppato in SICURA. Una più ampia definizione top-down del concetto disicurezza per i robot (di questa e della prossima generazione) è naturalmente incluso in questa analisi, analisi che andrà anche oltre queste funzioni, per esserepienamente sfruttata all'interno del progetto (ad esempio riguardando la ridondanza di sensori e dispositivi di calcolo). Inoltre, verrà sviluppata una visioneinnovativa riguardante uno degli argomenti classici della robotica: quello della pianificazione delle traiettorie dei robot. L'approccio proposto è basato sullapianificazione ottima di traiettorie di movimento e di rigidezza che minimizzino il tempo di trasferimento (rest-to-rest), rispettando vincoli sulla massima coppiadisponibile e sulla sicurezza. Infine, per quanto riguarda MECC e CONT, la ricerca di UNIPI riguarderà il controllo sicuro e accurato di bracci ultra-leggeri conelasticità ai giunti non trascurabile (ma costante) ed il controllo simultaneo di posizione e rigidezza in dispositivi a rigidezza variabile. L'obiettivo di questa ricerca èlo sviluppo di metodologie di progettazione per una nuova generazione di robot passivamente sicuri. In tale contesto il primo passo rilevante consiste nello stabilireappropriate metriche per la valutazione della sicurezza e delle prestazioni. Basandosi poi su delle metriche, rivisitate o di nuova concezione, per bilanciare sicurezzae prestazioni, verrano valutati differenti progetti meccanico-controllistici di dispositivi robotici ad alta cedevolezza, in particolare quelli basati sul paradigmadell'attuazione ad impedenza variabile, o VIA (Variable Impedance Actuation), sviluppato originariamente da UNIPI, dove parametri di giunto quali rigidezza,smorzamento e rapporto di riduzione possono essere variati in maniera continua durante la movimentazione del link robotico.

Testo ingleseRobots designed to cooperate with humans, such as e.g. in assisted manipulation, collaborative assembly, domestic, entertainment, rehabilitation or medicalapplications, must fulfill different requirements from those typically met in conventional industrial applications. Robots for application in these areas could trade incertain traditional performance characteristics (e.g. rigidity or accuracy) to increase dependability and overall safety in unpredictable dynamically changingenvironments. Given such a discrepancy in requirements, this project aims at substantially advancing the state of the art in robot design and control to enableintrinsically safe physical human-robot interaction.

SICURA is about developing key components of the next generation of robots, which have to meet the strictest safety standards, yet also to deliver useful performance.This poses new challenges to the design of all components of the robot, including mechanics, control, planning algorithms and supervision systems.

The UNIPI contribution to SICURA is inspired to an integrated co-design approach of robotic systems for safe pHRI, which revolutionizes the classical designparadigm of industrial robots - rigid design for accuracy, active control for safety - into a new one: design robots that are intrinsically safe, and control them todeliver performance.

Work done in Pisa for SICURA will create and deliver:1) new actuator concepts and prototypes;2) new dependable algorithms for supervision and planning;3) new control algorithms for handling safe human-robot physical interaction and for fault-tolerant behaviour.

UNIPI will contribute in SICURA in:4) integrating these components in functionally meaningful subsystems;5) evaluating quantitatively components and subsystems via experimental testing.

As mentioned in Model A, UNIPI will be responsible of coordination of Workpackage PLAN (Planning) while contributing also on Workpackage MEC and CONT.

Regarding PLAN, UNIPI will focus on safety and dependability problems which are very complex and multidisciplinary issues, so that in a first step we will identifythe requirements for the restricted set of technologies to be developed in SICURA. A broader and top-down definition of a <bstyle="">safety concept for robots (of the current and next generations) is naturally embedded in this analysis.Furthermore, a novel view will be developed on a classical topic in robotics, namely that of planning robot trajectories. In a conventional setting, these are supposed to

Ministero dell Università e della Ricerca,be fast and accurately executable at the robot end-effector level. The proposed approach is based on an optimal planning of motion andstiffness trajectories under maximum torque and minimum safety constraints, while minimizing the rest-to-rest motion transfer time.Finally, referring to MEC and CONT, UNIPI research will concern with the safe but accurate motion control of lightweight arms with non-negligible(constant) joint elasticity and with the simultaneous motion/stiffness control of variable impedance devices .The goal of this research topic is the development of design methodologies for a new generation of passively safe robots. Here, passively refers to the choice of havingthe mechanical (viz. motion actuation and transmission) design to take care of safety in theinteraction, while the control design should be responsible for preserving performance. In this context, the first relevant issue is to establish appropriate <bstyle="">metrics for safety and for performance evaluation. Based on revised or newly introduced metrics trading off safety and performance, differentconcepts of mechanical/control co-design of compliant robotic devices will be evaluated, in particular based on the Variable Impedance Actuation (VIA)paradigm originally developed by UNIPI, where joint parameters such as stiffness, damping, and gear-ratio may be continuously varied during link motion.

10 - Parole chiave

nº Parola chiave (in italiano) Parola chiave (in inglese)1. SICUREZZA E PRESTAZIONI SAFETY AND PERFORMANCE

2. MECCATRONICA MECHATRONICS

3. ROBOTICA ROBOTICS

4. METODI DI CO-PROGETTAZIONECO-DESIGN METHODS

5. CONTROLLO OTTIMO OPTIMAL CONTROL

11 - Stato dell'arte

Testo italianoI robot di servizio, cioè adibiti ad operare in ambienti antropici quali il domestico, il medico, e l'intrattenimento [1]-[4], devono soddisfare requisiti diversi a quelliche devono essere soddisfatti dai robot industriali. Ad esempio, per i robot di servizio "l'accuratezza", requisito primario dei robot industriali, è meno importante deirequisiti di "sicurezza" e "affidabilità" [5],[6]. La pericolosità dei manipolatori convenzionali in casi di impatti indesiderati con l'operatore umano può esseredrasticamente mitigata aumentando il livello di sensorizzazione (tramite ad esempio sensori di prossimità, quali le "pelli sensorizzate", [7], [8]) e/o modificandone ilcontrollo. Il controllo attivo di rigidezza o di impedenza può essere utilizzato per introdurre cedevolezza tra il robot e l'ambiente durante le interazioni, ma questiapprocci non sono efficaci in caso di impatti di porzioni del braccio che non sono equipaggiate con sensori. E' ormai ben noto che esistono intrinseche limitazionisulle azioni che un controllore può operare per variare il comportamento dinamico di un robot, dovute in parte alla limitatezza in banda dei sistemi di attuazione ealle saturazioni sulle massime forze/coppie esercitabili dagli stessi. In altre parole, costruire un robot rigido e pesante, e garantire che esso operi in condizioni disicurezza è un problema pressoché senza soluzione se condizioni realistiche sono prese in considerazione. Il primo braccio per applicazioni di servizio fuprobabilmente il Whole-Arm-Manipulator (WAM), proposto in [9]. L'enorme importanza che ha la sicurezza per i robot che operano in ambienti antropici ha impostonotevole innovazione tecnologica nel progetto di attuatori, sensori, e strutture meccaniche, conducendo alla nascita di nuove generazioni di robot, quali iDLR-lightweight robots riportati in [10]. I bracci meccanici di questo tipo sono principalmente caratterizzati da bassa inerzia strutturale e da cedevolezza parassita,quindi indesiderata, ai giunti, causata in gran parte dall'utilizzo di trasmissioni meccaniche a cavi o cinghie, o dall'uso di sensori di coppia ai giunti. Opportunemetodologie di controllo di forza/coppia, atte a mitigare gli effetti della cedevolezza strutturale sull'accuratezza, sono state progettate per impiegare questi robot inapplicazioni con stringenti requisiti di sicurezza [11]-[13].Un altro approccio per aumentare il livello di sicurezza di meccanismi che interagiscono con gli operatori umani consiste nell'introdurre intenzionalmente in fase diprogetto cedevolezza meccanica a livello dei giunti. In questo modo, con l'impiego di strutture meccaniche leggere, si agisce disaccoppiando durante il moto leinerzie degli attuatori dalle inerzie delle parti movimentate, per diminuire l'inerzia riflessa del meccanismo percepita dall'operatore in caso di impatto [14]. Lapresenza di trasmissioni cedevoli influisce sul livello di accuratezza di posizionamento e sui tempi di risposta del meccanismo che possono essere recuperatiutilizzando opportune politiche di controllo [15]. Un nuovo approccio al co-progetto di meccanica e controllo di una nuova generazione di sistemi di attuazione dimeccanismi per l'interazione diretta con gli operatori umani, chiamato Approccio ad Impedenza Variabile (VIA), è stato proposto in [16] al fine di garantiresicurezza dei meccanismi in caso di impatti e allo stesso tempo prestazioni elevate. Tale approccio consiste nel variare durante il moto i parametri di impedenzameccanica quali frizione, rigidezza, e rapporto di trasmissione ai giunti. In particolare, le traiettorie ottime che devono essere inseguite dai parametri meccanici diimpedenza vengono ottenute quali soluzioni del "Brachistocrono Sicuro" (BS), che consiste in un problema di controllo ottimo in tempo minimo con vincoli disicurezza introdotto in [16, 17]. Per moti di "presa-e-rilascio", o "punto-a-punto", il BS impone valori elevati d'impedenza per basse velocità al fine di garantire altilivelli di accuratezza nelle fasi di presa e rilascio, mentre impone bassa impedenza per velocità elevate, in modo tale da disaccoppiare l'inerzia del sistema diattuazione dall'inerzia delle parti movimentate, garantendo sicurezza in presenza di impatti accidentali. Il concetto generale di VIA può essere implementatoadottando differenti soluzioni meccaniche, che sfruttano ad esempio configurazioni antagoniste che emulano il funzionamento degli arti umani ([18]-[21]).La realizzazione e l'impiego industriale di attuatori a impedenza variabile impone il progetto di prototipi di attuatori veloci, accurati, e compatti. Per questo, in [21]si riporta una realizzazione di un prototipo di attuatore compatto a rigidezza variabile, e si discute un opportuno controllo in retroazione che consente l'inseguimentoindipendente di traiettorie in velocità e posizione al giunto garantendo allo stesso tempo sicurezza e prestazioni.

Testo ingleseRobots designed to share an environment with humans, e.g., in domestic, entertainment, assistive, rehabilitation, or medical applications [1]-[4], must fulfill differentrequirements from those typically met in industry. It is often the case, for instance, that absolute accuracy requirements are less demanding. On the other hand, aconcern of paramount importance is safety and dependability [5], [6] of the robot system. According to such difference in requirements, it can be expected that usageof conventional industrial arms for anthropic environments is far from optimal. The inherent danger to humans of conventional arms can be mitigated by drasticallyincreasing their sensorization (using proximity-sensitive skins such as those proposed in [7] and [8], for example) and/or by modifying their controllers.Active stiffness and impedance control could be employed to introduce compliance with respect to sensed interactions. However, these approaches may not proverobust with respect to impacts on portions of the arm that are not equipped with sensors. Also, it is well known in the robotics literature that there are intrinsiclimitations to what the controller can do to alter the behaviour of the arm if the mechanical bandwidth (basically dictated by mechanism inertia and friction) is notmatched to the task (see, for example, [9]). In other words, making a rigid, heavy robot to behave gently and safely is an almost hopeless task if realistic conditionsare taken into account. Probably the first lightweight arm for service applications was the whole-arm manipulator (WAM), proposed by [9]. The stress on safety haspushed a number of technological innovations in actuators, sensors, and structural design in recent years, leading to impressive realizations such as the generation ofDLR lightweight robots [10]. Arms in this class are primarily characterized by the low inertia of their links and by backdrivability [9]. A relatively small amount ofjoint compliance is often present in these arms as a side-effect of other design choices such as cable transmission or joint torque sensors. Suitable force-controlpolicies have been designed to employ such arms in safety-critical applications [11]-[13]. Another approach to increase the safety level of robot arms interacting withhumans is to intentionally introduce mechanical compliance in the design. By this measure, which is still, of course, to be accompanied with low-inertia design of thearm's links, researchers tend to dynamically decouple the actuator's rotor inertia from the links whenever an impact occurs [14]. Naturally, compliant transmissioncan negatively affect performance in terms of increased oscillations and settling time. Accuracy in positioning and stiffness tuning should then be recovered bysuitable design and control policies [15].A new mechanical/control co-design approach, the Variable Impedance Approach (VIA), has been recently introduced in [16] as a new way to optimally trade safetyand performance during task executions for a robot arm relying on the possibility to vary the mechanical impedance (i.e. stiffness, damping and/or gear-ratioparameters) of the actuation subsystem "on the fly". In particular, the way in which the mechanical impedance could optimally vary during motions can be determinedas a solution of the Safe Brachistochrone optimal control problem introduced in [16, 17]. Results of such analysis show that optimal control of safe VIA mechanismsimposes high impedance at low link velocities, while low impedance should be commanded at high velocities, to decouple the actuator's inertia from the link's.Furthermore, the study in [17] shows that a crucial parameter for achieving high performance from VIA mechanism is the ratio between the maximum and minimum

Ministero dell Università e della Ricerca,achievable actuator impedance.The general VIA concept can be implemented by different mechanisms, in particular those adopting antagonistic arrangements emulating human limbs (see e.g. theactuation systems discussed in [18]- [21]). However, a broader exploitation of the VIA concept in machines and industrial environments would largely benefit if fast,rugged, and compact VIA actuators were available. To this purpose, in [21] the realization of a compact rotary actuator with variable and controllable joint shaftstiffness is discussed in detail, along with its feedback control, which is able to guarantee safety and accuracy in positioning of the mechanism during fast trajectorytracking tasks, in spite of model parameter mismatches or unforeseeable disturbances.

12 Riferimenti bibliografici

[1] J. Adams, R. Bajcsy, J. Kosecka, V. Kumar, R. Mandelbaum, M. Mintz, R. Paul, C. Wang, Y. Yamamoto, and X. Yun,"Cooperative material handling by human and robotic agents: Module development and system synthesis", in Proc. IEEE/RSJ Int.Conf. Intell.Robots and Syst., 1995, Pittsburgh, PA, pp. 200-205.[2] O. Khatib, K. Yokoi, O. Brock, K.-S. Chang, and A. Casals, "Robots in human environments: Basic autonomous capabilities", Int. J. Robot. Res., vol. 18, pp.684-696, 1999.[3] T. Noritsugu, T. Tanaka, and T. Yamanaka, "Application of rubber artificial muscle manipulator as a rehabilitation robot", inProc. IEEE Int. Workshop Robot and Human Communication, Tsukuba, Japan, Nov. 11-14, 1996, pp. 112-117.[4] J. Guiochet and A. Vilchis, "Safety analysis of a medical robot for teleechography", in 2d IARP IEEE/RAS Joint Workshop Tech.Challenge for Dependable Robots, Toulouse, France, Oct. 2002, pp. 217-227.[5] H. Kumamoto, Y. Soto, and K. Inoue, "Hazard identification and safety assessment of human-robot systems", Eng. Risk and Hazard Assessment, vol. 1, pp. 61-80,1986.[6] G. Giralt and P. Corke, Eds., "Technical Challenge for Dependable Robots in Human Environments", Seoul, Korea: IARP/IEEEWorkshop, 2001.[7] E. Cheung and V. Lumelsky, "Proximity sensing in robot manipulator motion planning: System and implementation issues",IEEE Trans. Robot. Automat., no. 5, pp. 740-751, 1989.[8] H. Iwata, H. Hoshino, T. Morita, and S. Sugano, "Force detectable surface covers for humanoid robots", in Proc. IEEE/ASMEInt. Conf. Advanced Intell. Mechatronics, Como, Italy, July 8-11, 2001, pp. 1205-1210.[9] K. Salisbury, W. Townsend, B. Eberman, and D. DiPietro, "Preliminary design of a whole-arm manipulation system (WAMS)", in Proc. 1988 1EEE Int. Conf.Robot. Automat., Philadelphia, PA, 1988, pp. 254-260.[10] G. Hirzinger, A. Albu-Schäffer, M. Hähnle, I. Schaefer, and N. Sporer, "On a new generation of torque controlled light-weightrobots", in IEEE Int. Conf. Robot. Automat., Seoul, Korea, 2001, pp. 3356-3363.[11] P. Kazanzides, J. Zuhars, B. Mittelstadt, and R.H. Taylor, "Force sensing and control for surgical robot", in Proc. Int. Conf. Robot. Automat., Nice, France,1992.[12] J. Heinzmann and A. Zelinsky, "The safe control of human-friendly robots", in Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. Intell. Robots andSyst., Kjongju, Korea, 1999, pp. 1020-1025.[13] A. Albu-Schäffer and G. Hirzinger, "Cartesian compliant control strategies for light-weight, flexible joint robots", in ControlProblems in Robotics, vol. 4 (Springer Tracts in Advanced Robotics), A. Bicchi, H.I. Christensen, and D. Prattichizzo, Eds. Berlin, Germany: Springer-Verlag, 2003.[14] Pratt G. and Williamson M, "Series Elastic Actuators", Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on IntelligentRobots and Systems, pages 399 406, 1995.[15] Zinn M., Khatib O., Roth B., and Salisbury J.K., "A new actuation approach for human friendly robot design", in Proceedings of the International Symposium onExperimental Robotics, 2002.[16] A. Bicchi and G. Tonietti, "Fast and soft arm tactics: Dealing with the safety-performance tradeoff in robot arms design andcontrol", IEEE Robotics and Automation Magazine, Vol. 11, No. 2, June, 2004.[17] G. Tonietti, R. Schiavi, and A. Bicchi, "Optimal mechanical/control design for safe and fast robotics", in Proceedings of the 9th International Symposium onExperimental Robotics, Marina Mandarin Hotel, Singapore, 18-21 June 2004.[18] J. W. Hurst, J. Chestnutt, and A. Rizzi, "An actuator with mechanically adjustable series compliance", Robotics Institute,Carnegie Mellon University, Pittsburgh, PA, Tech. Rep. CMU-RI-TR-04-24, April 2004.[19] A. Bicchi and G. Tonietti, "Design, realization and control of a passively compliant robot for intrinsic safety", in Proc. SecondIARP/IEEE-RAS Joint Workshop on Technical Challenge for Dependable Robots in Human Environments, 2002.[20] K. F. Laurin-Kovitz, J. E. Colgate, and S. D. R. Carnes, "Design of Components for Programmable Passive Impedance", in Proc. IEEE Int. Conf. on Roboticsand Automation, 1991, pp. 1476-1481.[21] G. Tonietti, R. Schiavi, and A. Bicchi, "Design and Control of a Variable Stiffness Actuator for Safe and Fast PhysicalHuman/Robot Interaction", in Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 18-22 April 2005, Page(s):526 - 531

13 - Descrizione del programma e dei compiti dell'Unità di Ricerca

Testo italianoCome conseguenza dell'ampio divario esistente tra le specifiche e i requisiti per sistemi di interazione fisica uomo robot (pHRI) e quelli per i robot convenzionali,orientati all'industria, l'utilizzo delle tecnologie e gli schemi di controllo impiegati in esse per gli ambienti antropici è piuttosto lontano dall'essere ottimale. Unamacchina che si muove velocemente è tipicamente più pericolosa di una lenta, ma le macchine lente sono spesso non accettabili nelle applicazioni. Alcuni tentativisono stati fatti in passato per superare questo problema utilizzando sensori sulle parti mobili (e rigide) della macchina e il controllo attivo. Queste soluzioni tendonoad essere costose, ingombranti e non abbastanza affidabili. In SICURA, il ruolo del Centro Interdipartimentale di Ricerca "E. Piaggio", Università di Pisa (UNIPI),sarà quello di sviluppare nuovi design e metodologie di controllo relativamente ai Workpackage MECC, PLAN, e CONT.

In SICURA, UNIPI valuterà ed introdurrà i suoi risultati nella definizione dei futuri standard. Gli standard di sicurezza attuali potrebbero essere troppo restrittivi prele applicazioni future, poiché sono pensati per le attuali applicazioni industriali. Nuove metodologie per la sicurezza influenzeranno le possibilità tecnologiche deirobot futuri, e quindi, i prossimi standard di sicurezza.I risultati previsti di UNIPI possono riassumersi come segue:

1) Risultati previsti nella progettazione meccatronica di meccanismi intrinsecamente sicuri (MECC)Il lavoro si focalizzerà su di un particolare aspetto dei manipolatori robotici, e cioè la collisione inattesa del robot con un operatore umano. Numerosi indici standardper misurare l'entità degli infortuni sono stati sviluppati in passato, incluso ad esempio il GSI (Gadd Severity Index), ed la sua evoluzione HIC (Head InjuryCriterion),

in cui T è per convezione il tempo finale dell'impatto e a è l'accelerazione a cui e sottoposta la testa dell'operatore durante l'impatto. In genere, il calcolo deisopraccitati indici di severità avviene per via numerica, basandosi su dati sperimentali o simulazioni. Un valore di HIC pari a 1000 o maggiore è associabile ainfortuni molto gravi; mentre un valori di 100 può considerarsi accettabile per una macchina che opera in condizioni normali interagendo con un uomo. Recentisviluppi nella progettazione di attuatori intrinsecamente sicuri, i cosiddetti attuatori a impedenza variabile o VIA (Variable Impedance Approach), suggeriscono chesia possibile ottenere contemporaneamente buone prestazioni e sicurezza negli impatti, variando l'impedenza meccanica durante il moto, come avviene nellasoluzione del problema del Brachistocrono Sicuro [16].



Figura 1. Schema concettuale di un attuatore ad impedenza variabile.

Per cambiare l'impedenza Z = F/v di un meccanismo durante l'esecuzione di un task, si può agire sui tre parametri K, D e N.

Figura 2. Il comportamento intuitivo di un attuatore VIA in un task rest-to-test a 1-DOF.Per esempio, le figure 1 e 2, mostrano rispettivamente uno schema concettuale di un sistema VIA, e il tipico andamento della velocità di un giunto durante un taskrest-to-rest. Ad un livello piuttosto intuitivo, si vuole che il giunto abbia bassa impedenza nelle fasi di movimento ad alta velocità, così da minimizzare il rischio diinfortunio; d'altra parte, sarebbe appropriato avere alta impedenza nelle prime fasi dell'accelerazione, per mettere in moto il link rapidamente, e nelle fasi finali didecelerazione, per minimizzare le oscillazioni. In quest'ottica verranno sviluppati attuatori meccatronici compatti con impedenza meccanica variabile, capaci disostanziali variazioni di impedenza, ottimizzando i loro intervalli di impedenza e velocità ottenibili. Nella figura 3 si riporta un prototipo ti questo attuatori, checonsiste in due motori DC controllati indipendentemente, connessi all'asse del link tramite una puleggia, messa in tensione da elementi elastici. Particolari sforzidella ricerca saranno orientati all'ottimizzazione di tali elementi per massimizzare la coppia trasmissibile al link in configurazione rigida, e contemporaneamenteottimizzare l'intervallo di variazione della rigidezza.

Figura 3. Primo prototipo sviluppato presso UNIPI di attuatore a rigidezza variabile (VSA-I) e suo principio di funzionamento.

Un sistema VIA può essere realizzato con diverse soluzioni (attuazione macro-mini parallela e distribuita, attuazione antagonistica, ecc.). Ci sono, inoltre, moltequestioni aperte riguardanti la co-progettazione ottima di un attuatore VIA; l'attuazione antagonistica può essere realizzata da due motori di uguale potenza, con unasoluzione asimmetrica o introducendo un accoppiamento elastico tra i due elementi antagonisti. Verrà perciò adottato un approccio di ottimizzazione inco-progettazione, utilizzando adeguate metriche per la sicurezza e le prestazioni. UNIPI inizierà studiando meccanismi di attuazione ad un grado di libertà.L'obiettivo è di sviluppare un componente monoblocco compatto, che integri motori, riduzioni e sistema VIA. Il componente dovrà avere l'aspetto esteriore di unatipica unità motore elettrico/riduzione, ma con la capacità addizionale di variare la rigidezza nell'albero di uscita. Alternativamente si realizzeranno dispositivicapaci di variare lo smorzamento o più in generale l'impedenza dell'albero di uscita. Il componente sarà orientato per l'utilizzo a tutto tondo in macchine perl'interazione fisica con l'uomo; tuttavia, altre potenziali applicazioni sono ipotizzabili, per esempio in meccanismi efficienti per l'attuazione intermittente, dove èimportante avere elementi variabili per l'immagazzinamento di energia meccanica (ad esempio per meccanismi di locomozione su gambe).Il lavoro di UNIPI proseguirà con la progettazione di sistemi VIA integrati per dispositivi a molti gradi di libertà, in particolare bracci robotici. Il passo da uno a


Ministero dell Università e della Ricerca,molti g.d.l., pone nuove sfide. La definizione di metriche per sicurezza e prestazioni orientate alla progettazione di braccia robotiche (ad esempio dimensioni, velocitàe inerzie dei link) è ancora un problema aperto. Ad esempio si possono immaginare alternative alle attuali catene seriali di link a 1 g.d.l., come i giunti accoppiati,che combinano 2 o 3 g.d.l. (come la spalla umana). Soluzioni ridondanti o antagonistiche accoppiate (come nel braccio umano) possono essere prese inconsiderazione per massimizzare il compromesso sicurezza-prestazioni.

2) Risultati previsti relativamente alla pianificazione dei movimenti (PLAN)La pianificazione ottima di velocità ed impedenza delle parti mobili di una macchina, sono state introdotte in [16] per garantire sicurezza e prestazioni in meccanismiad impedenza variabile molto semplici (ad 1 g.d.l.) pensati per operare in stretto contatto con l'uomo. In questo lavoro è stata introdotta la Brachistocrona Sicura,cioè la soluzione al seguente problema:"Dato un meccanismo con la sua inerzia locale e i limiti dei suoi attuatori, trovare il tempo minimo per spostarsi tra due configurazioni prestabilite, facendo in modoche ad ogni istante del moto un eventuale impatto con il dispositivo induca delle accelerazioni tali da mantenere un determinato indice di severità sotto livelli disicurezza".Questo problema sarà generalizzato a n g.d.l, considerando strutture generiche complesse che operano in sicurezza mantenendo determinate prestazioni in ambientiantropici. Si noti che il Brachistocrono Sicuro è un utile strumento di controllo ottimo, capace di risolvere il problema della movimentazione punto-puntoottimizzando il compromesso sicurezza prestazioni, ma, data la sua complessità computazionale, l'efficacia decresce se prova ad adottarlo in linea e in presenza dimovimenti generici. Algoritmi in linea, ottimi o sub-ottimi, per la pianificazione dell'impedenza rispetto alla velocità dei giunti per sistemi complessi, sarannoprogettati e implementati su controllori embedded; inoltre la loro affidabilità e efficacia, sia in termini di prestazioni che di sicurezza, sarà provata sperimentalmente.UNIPI punta allo sviluppo di una procedura in tempo reale che adatti in linea la traiettoria di un manipolatore in un contesto dove il robot è in stretto contatto conuna persona, chiamata Pianificazione Reattiva (Reactive Planning). Non soltanto la traiettoria, ma anche i profili di velocità dovranno essere aggiornati in temporeale.

3) Risultati previsti relativamente a sistemi di controllo per la sicurezza e l'accuratezza (CONT)L'attuale stato dell'arte sarà approfondito e ripensato in CONT. Per garantire sicurezza e prestazioni, anche in presenza di incertezze nei parametri costruttivi,verranno analizzate tecniche di controllo adattivo. Infatti il controllo dinamico di braccia meccaniche cedevoli e regolabili eredita molti dei problemi incontrati nelcontrollo di braccia flessibili, ma posso sfruttare solo parzialmente le soluzioni ottenute in tale campo. Un differenza chiave è la presenza essenziale di non linearitànel modello dei meccanismi VIA, cosa che rende ovviamente il controllo più difficile. Questo è maggiormente vero quando non è disponibile un modello esatto deiparametri del sistema, rendendo necessario l'adattamento. La dinamica del nostro prototipo chiamato VSA, è

dove IR e IJ sono, rispettivamente, le inerzie dei motori DC e del link, D è il coefficiente di smorzamento, q1 q2 qJ sono le posizioni angolari dei motori e del link,φ12, φJ1 e φJ2 sono le coppie agenti sulle pulegge dalle tre molle, τe racchiude tutti i disturbi esterni agenti sul link, τ1 e τ2 sono lecoppie di controllo agenti sui due motori. Il task del controllo è di regolare la rigidezza della trasmissione e la posizione del link. Un obiettivo importante delcontrollo è garantire che traiettorie arbitrarie dell'end-effector possano essere inseguite mentre la rigidezza viene regolata ai valori desiderati, senza che i due anellidi controllo interferiscano tra loro (controllo disaccoppiato).Il progetto del controllo sarà basato su modelli dinamici del robot, possibilmente semplificati, coprendo dapprima il caso di un singolo g.d.l. e poi il caso a moltig.d.l. (verosimilmente 3). Dato che sono possibili diverse soluzioni meccaniche, uno studio preliminare riguarderà la trasformazione dei modelli dinamici così daverificare se sia possibile individuare una struttura "canonica" comune dei modelli. Nelle prime condizioni operative, si assumerà che le traiettorie di rigidezzapreviste siano effettivamente realizzate (cioè le variazioni di rigidezza saranno effettuate in ciclo aperto). Il controllore dovrà tenere in considerazione questevariazioni di rigidezza per l'inseguimento accurato delle traiettorie di riferimento. In seguito, si effettuerà la retroazione contemporanea di posizione e rigidezzamediante un approccio di disaccoppiamento ingresso uscita. Questo permetterà di specificare convenientemente i transitori relativi agli errori di ogni uscitacontrollata (posizione e rigidezza) in maniera indipendente e lineare. Gli schemi di controllo dovranno utilizzare soltanto i sensori disponibili sui dispositivi inquestione.

Al fine di testare e valutare gli algoritmi di pianificazione e di controllo sviluppati in PLAN e CONT, i migliori algoritmi risultanti saranno integrati con i prototipisviluppati in MECC.La prima fase di validazione delle diverse soluzioni proposte sarà effettuato tramite simulazioni. Saranno possibili indagini relative a varie esempi di interazioneuomo-robot, sia in situazioni di funzionamento normale, che in caso di rotture hardware e/o software. In simulazione, il sistema manipolatore può essere facilmentedecomposto in sottosistemi semplici; questi possono essere simulati con dei modelli ragionevoli anche per le peggiori situazioni di malfunzionamento, con una elevataflessibilità.In un secondo momento, verranno progettati esperimenti, basati su standard assodati e utilizzando misure di sicurezza e di performance ben definite, per ciascuno deisottosistemi e per il sistema uomo-robot nella sua totalità. Ciò includerà lo sviluppo di attrezzature per la valutazione della sicurezza in caso di impatto e per lacalibrazione e il test dell'accuratezza degli apparati sperimentali. Test di valutazione e di analisi saranno effettuati su prototipi di dispositivi e manipolatori giàesistenti (ad esempio l'UNIPI SoftArm).

Programma del progettoLe attività di ricerca seguiranno, schematicamente, le seguenti quattro fasi:Fase 1 (Durata 6 mesi, Costo 19000 Euro)[Ph1a] Analisi dello stato dell'arte, riguardo il controllo e le metodologie di progetto concepite per garantire la sicurezza e le prestazioni di macchine durante task diinterazione fisica uomo-robotFase 2 (Durata 6 mesi, Costo 22000 Euro)[Ph2a] Estensione del controllo e della pianificazione ottima di traiettorie di velocità e impedenza a braccia robotiche ad impedenza variabile e molti gradi dilibertà;[Ph2b] Studio analitico riguardo il progetto attuatori compatti ad impedenza variabile con prestazioni e intervalli di impedenza ottimizzati.Fase 3 (Durata 6 mesi, Costo 22000 Euro)[Ph3a] Progettazione e realizzazione di prototipi di attuatori ad impedenza variabile;[Ph3b] Progettazione e realizzazione di un braccio robotico ad impedenza variabile a molti gradi di libertà.Fase 4 (Durata 6 mesi, Costo 22000 Euro)[Ph4a] Validazione sperimentale della sicurezza e delle prestazioni del braccio robotico a n-g.d.l. realizzato nella fase [Ph3b], durante task di interazione fisicauomo-robot.

Breve descrizione dell'unità di ricercaIl gruppo di robotica del Centro Interdipartimentale di Ricerca "Enrico Piaggio" è guidato dal Prof. Antonio Bicchi. La ricerca si concentra sullo sviluppo dimetodologie e tecnologie per la robotica e l'automazione embedded. Il gruppo possiede esperienza pluriennale di contratti con agenzie nazionali, internazionali edella Comunità Europea, così come con partner aziendali. Attuali progetti finanziati CE includono: PHRIENDS (Physical Human-Robot INteraction: Dependabilityand Safety, FP6 CogSys); RUNES (IP 6FP, sui sistemi di controllo embedded via rete); HYCON (N.o.E 6FP, sul controllo ibrido). I principali risultati scientificiottenuti riguardano l'analisi ed il controllo di veicoli e sistemi di manipolazione autonomi. Argomenti di ricerca tradizionali sono lo studio delle mani e dell'aptica -sia nell'uomo che nei robot. Altri maggiori spunti di ricerca dell'attività attuale sono i metodi di controllo avanzati per i sistemi complessi, in particolare sistemi nonlineari e sistemi misti logico-dinamici, lo studio teorico, la progettazione lo sviluppo ed il controllo di sistemi di attuazione ad impedenza variabile, intrinsecamentesicuri e ad alte prestazioni, per macchine coinvolte nell'interazione fisica con l'uomo.

Testo ingleseAs a consequence of the wide gap dividing application specifications and requirements in physical Human-Robot Interaction (pHRI) systems from those ofconventional, industry-oriented robots, the usage of technologies and control schemes employed in the latter devices for anthropic environments is quite far fromoptimal. A machine that moves fast is typically more dangerous than a slow moving machine, but slow machines are often unacceptable in applications. Someattempts have been made in the past to overcome this problem by using sensorization of the moving parts of the (rigid) machines, and active control. These solutionstend to be costly, encumbering, and not sufficiently reliable. Within the SICURA project, the role of the Centro Interdipartimentale di Ricerca "E. Piaggio", University


Ministero dell Università e della Ricerca,of Pisa (UNIPI), will be to develop new design and control methodologies related to workpackages MECC, PLAN, and CONT.

Within SICURA, UNIPI will also evaluate and bring its new findings in the definition of future standards. Current safety standards may be much too restrictive forfuture applications because existing standards are made for today's industrial applications. The new safety methods will influence the technological possibilitiesof future robot systems and, therefore, influence future robot safety standards.UNIPI expected results can be outlined as follows:

1) Expected results related to the mechatronic design of intrinsic safe mechanisms (MECC)We will focus on a particular aspect of safety of robot manipulators, which concerns unexpected collisions by the manipulator with a human operator. Researchershave developed several standard indices of injury severity, including e.g. the Gadd Severity Index (GSI), and his mathematical refinement the Head Injury Criterion(HIC),

where T is conventionally the final time of impact and a is the acceleration of the head of the operator during the impact. In general, evaluation of the above severityindices is numeric, based on either experimental or simulated data. An HIC value of 1,000 or greater is typically associated with extremely severe head injury; avalue of 100 can be considered suitable to normal operation of a machine physically interacting with humans. Recent result on new approaches to design actuatorsfor intrinsically safe machines, the so called VIA (Variable Impedance Approach) approach, can be summarized that performance and safety of impacts can beachieved by allowing the mechanical impedance of a machine to vary in a large range with respect to velocity during motions, as came from the solution of the SafeBrachistochrone problem [16]. It is interesting to note that variation of impedance is also observed in motions of the human limbs, which appear to be controlled bythe cerebellum adopting pre-computed optimal strategies: however, no direct relation has been shown so far between known neural strategies and the strategiesresulting from the Safe Brachistochrone solutions.

Figure 1. Conceptual scheme of a variable impedance actuation system.

To change the impedance Z = F/v of the mechanism during the execution of a task, we ca act on the three impedance parameters K, D, N.

Figure 2. The intuitive behaviour of VIA in a 1-DOF rest-to-rest task.

For instance, Figure 1 and Figure 2 show respectively conceptual sketch of a variable impedance actuation system, and a classical velocity profile of a rest-to-resttask for a joint. At a rather intuitive level, it would be desirable that the joint have low impedance in the high velocity phase, so as to minimize the injury risks. On theother hand, it would seem appropriate to have high impedance in the early accelerating phase to put the link in motion swiftly, and in the final deceleration, tominimize oscillations. In this sense, compact mechatronic actuators with variable mechanical impedance will be designed and realized allowing a large range ofimpedance variation, optimizing both their velocity and stiffness range. In Figure 3 it is reported a prototype of such actuators, which consists of two independentlycontrolled brushless DC motors, which are connected to the joint shaft by a timing belt, tensioned by elastic elements. A particular research effort will be to optimizesuch elements to maximize the reflected torque at the joint shaft in the stiff phases, along with optimizing the allowed interval for impedance variation.



Figure 3. First protype developed at UNIPI of a Variable Stiffness Actuator VSA-I and its functioning principle.

The VIA concept can be realized though different arrangements (e.g. parallel and distributed macro-mini actuation, antagonistic actuation schemes, etc.). There aremany open questions concerning the optimal co-design of VIA actuators; antagonistic actuation can be realized by two equally powerful motors, by an asymmetricarrangement, or by introducing an elastic cross-coupling between the two antagonistic actuators. A co-design optimization approach, using adequate metrics of safetyand performance, will be used.UNIPI work will start with studies on one degree-of-freedom actuation mechanisms. The goal is to develop a compact, self-contained component integrating motor,gear reduction, and VIA mechanism. The component will have the external appearance of a conventional electrical motor/gearbox unit, with the additional feature ofoffering variability of the stiffness at the output shaft. Alternatively, variable damping or, more generally, impedance at the output shaft will be realized. Thecomponent is intended for general-purpose use in machines for physical human-robot interaction; however, other potential applications are envisaged, e.g. inefficient mechanisms for intermittent actuation, where variable mechanical energy-storage elements are of importance (e.g., mechanisms for legged locomotion).UNIPI work will prosecute with the design of integrated VIA systems for multi-degree of freedom devices i.e. robot arms. When moving from one degree of freedom tomulti-degree of freedom joint, additional challenges appear. Defining safety and performance metrics in terms of arm design parameters (link dimensions, velocities,inertias, etc.) is still an open problem. For instance, coupled joints, combining two or three degrees of freedom (as for the human shoulder) are imaginable as analternative to today's serial sequence of 1DOF joints. Redundant or cross-coupled arrangements of antagonist actuators (as used in the human arm) can also beconsidered to maximize the safety-performance trade-off.

2) Expected results related to the planning of robot movements (PLAN)The optimal planning of both velocity of the moving parts of the machine and of its mechanical impedance, has been recently introduced in [16] to guarantee safetyand performance of very simple (i.e. 1-DOF) variable impedance mechanisms conceived to operate in close contact with humans. In this work it is introduced theSafe Brachistochrone, that is the solution to the following problem:

"For a mechanism with total inertia and actuator limits given, find the minimum time necessary to move between two fixed configurations such that at any instantduring the motion an unexpected impact with the device would produce a injury severity index below safety levels".

This problem will be generalized to n-DOF, considering general and complex structures operating with safety and performance in anthropic environments. It must benoticed that the Safe Brachistochrone is a useful optimal control tool able to solve the safety/performance trade-off in case of point-to-point trajectories, but, due tocomputational complexity, the effectiveness decreases if it is adopted on-line and in presence of general motions. On-line optimal, or sub-optimal, algorithms for theplanning of impedance with respect to joint shaft velocity for complex manipulation systems will be conceived and implemented in embedded controllers whosereliability and effectiveness in both performance and safety will be proved experimentally.UNIPI aims at the development of a real-time procedure that adapts on-line a manipulator trajectory in a context where the robot is in close proximity of a person,called Reactive Planning. Not only the trajectory but also the velocity profile should be adapted in real-time.

3) Expected results related to control systems for safety and accuracy (CONT)State-of-art control algorithms will be characterized and rethought the CONT framework. To guarantee safety and performance, also in presence of uncertainties inconstructive parameters, adaptive control techniques will be investigated. Indeed the dynamic control of tunable compliant arms inherits many of the problems withthe control of flexible arms, but they can only partially exploit solutions provided in that field. A key difference is the presence of essential non-linearities in the modelof VIA mechanisms, which obviously make control harder. This is particularly true when an exact model of the system parameters is not available, and adaptation istherefore necessary. The dynamics of our prototype called VSA, result

where IR and IJ are, respectively, the DC motors and link rotary inertias, D is the (small) axial damping coefficient, q1 q2 qJ are the rotors and link angular

positions, 12, J1 and J2 are the torques generated on the pulleys by the three springs, e collects external disturbances acting on the link, and 1, 2are the control torques acting on the two motors. The pursued control task is to regulate the transmission stiffness and the joint shaft position qJ. An important controlobjective is to guarantee that arbitrary trajectories of the end-effector can be followed while stiffness is controlled to desired values, without the two specificationsinterfering with each other (decoupled control).Control design will be based on suitable, possibly simplified, dynamic models of variable impedance robot devices, covering first the single-dof case and then themultiple (most likely, three) dof case. Since different passively safe mechanical designs are possible, a preliminary investigation will be conducted on transformationsof the dynamic models so as to check whether a common "canonical" model structure can be found. In a first operative condition, it will be assumed thatthe planned time evolution of joint stiffness is actually realized during robot motion (in other words, stiffness variations are programmed and executed in anopen-loop fashion). The controller has to take into account these stiffness variations for the accurate tracking of desired reference trajectories. Later on, thesimultaneous feedback control of motion and stiffness will be addressed by following an input-output decoupling approach. This conveniently allows specifying adesired error transient for each of the controlled (position and stiffness) outputs in an independent and linear way. Control schemes should use only the availablesensors of the specific device.

To be able to test and evaluate the developed motion planning algorithms (PLAN) and the developed control algorithms (CONT) the resulting best algorithms will beintegrated in the prototypical framework developed in MECC.The first phase of validation for the different solutions proposed and determined will be carried out via simulations. Investigation can be done for different situationshappening in human-robot interacting tasks both during normal operations, and in case of software/hardware failures. In simulation, the manipulation system can beeasily decomposed into simple sub-systems. They can be simulated with reasonable models in worst case failure situations with high flexibility.As a second step an experiment design will be carried out based on accepted standards with defined safety and performance measures for each of the sub-systems andfor the overall system in pHRI environment. This will include the development of impact jigs for safety evaluation and the accomplishment of some calibrationexperiments to test the accuracy of the experimental and measurement apparatus. Benchmarking tests and analysis will be done on an already available manipulatorand on prototypes (e.g., the UNIPI SoftArm) for the intended pHRI applications.

Project ScheduleSchematically, the research activities will be carried out according to the following four phases:Phase 1 (Duration 6 months, Cost 19000 Euro)


Ministero dell Università e della Ricerca,[Ph1a] Analysis of the state-of-art focused to both control and design methodologies conceived to guarantee safety and performance of machines during physicalHuman-Robot Interaction tasks.Phase 2 (Duration 6 months, Cost 22000 Euro)[Ph2a] Extension of the optimal control planning of trajectories in both velocity and impedance to variable impedance n-degrees-of-freedom robot arms;[Ph2b] Analytical study concerning the design of compact variable impedance actuators with optimized both performance and allowed range of impedance variation.Phase 3 (Duration 6 months, Cost 22000 Euro)[Ph3a] Design and realization of prototypes of variable impedance actuators;[Ph3b] Design and realization of a n-degrees-of-freedom variable impedance robot arm.Phase 4 (Duration 6 months, Cost 22000 Euro)[Ph4a] Experimental validation of the safety and performance characteristics of the n-degrees-of-freedom robot arm realized in the phase [Ph3b] during pHRI tasks.

Short description of the Research UnitThe Robotics Group of the Interdepartmental Research Centre "Enrico Piaggio" is led by Prof. Antonio Bicchi. The research focuses on the development ofmethodologies and technologies for robotics and embedded automation at large. The group has a longstanding experience in contracting with international, EC, andnational funding agencies, as well as with industrial partners. Current EC-funded projects include TOUCH-HAPSYS (5FP, on haptic science and technology);RECSYS (5FP, on embedded control systems); RUNES (IP 6FP, on networked embedded systems); HYCON (N.o.E 6FP, on hybrid control). Main scientificcontributions have been in the analysis and control of autonomous manipulation systems and vehicles. Traditional topics of investigation are the study of hands andhaptics - both in humans and in robots. The other major prongs of the current activity are the investigation of advanced control methods for complex systems, inparticular addressing nonlinear systems and mixed logical-dynamical systems, and the theoretical study, design, development, and control of variable-impedance,intrinsically safe, high-performance actuation systems for machines involving physical Human-Robot Interaction.

14 - Descrizione delle attrezzature già disponibili ed utilizzabili per la ricerca proposta

Testo italiano

Nessuna

Testo inglese

Nessuna

15 - Descrizione delle Grandi attrezzature da acquisire (GA)

Testo italiano

Nessuna

Testo inglese

Nessuna

16 - Mesi persona complessivi dedicati al Progetto

Numero Impegno1° anno

Impegno2° anno

Totalemesi

personaComponenti della sede dell'Unità di Ricerca 3 18 18 36

Componenti di altre Università/Enti vigilati 0

Titolari di assegni di ricerca 0

Titolari di borse Dottorato 3 6 9 15

Post-dottorato 1 2 2 4

Scuola di Specializzazione 0

Personale a contratto Assegnisti 0

Borsisti 1 5 5 10

Altre tipologie 0

Dottorati a carico del PRIN da destinare a questo specifico progetto 0 0 0 0

Altro personale 0

TOTALE 8 31 34 65

17 - Costo complessivo del Progetto dell'Unità articolato per voci

Voce di spesa Spesa inEuro

Descrizione dettagliata(in italiano)

Descrizionedettagliata(in inglese)

Materiale inventariabile 40.000Braccio e Mano Robotica Cost for Robot Arm andHand



Grandi Attrezzature 0

Materiale di consumo e funzionamento 4.000Spese dipartimentali e Beniconsumo per l'ufficio

Departmental and UniversityCosts Office supplies andcosts

Spese per calcolo ed elaborazione datiPersonale a contratto 24.000Assegnisti o borsisti di Ricerca

e/osupporto Dottorati epost-dottorati

Doctoral and post-doctoralfellowships

Dottorati a carico del PRIN da destinare a questo specificoprogetto

0

Servizi esterniMissioni 12.000Viaggi per coordinamento e

divulgazione dei risultatiTravel and subsistence forconferences

PubblicazioniPartecipazione / Organizzazione convegni 5.000Registrazione Conferenze Costs for Conference fees

Altro TOTALE 85.000

18 - Prospetto finanziario dell'Unità di Ricerca

Voce di spesa Importo in Euroa.1) finanziamenti diretti, disponibili da parte diUniversità/Enti vigilati di appartenenza dei ricercatoridell'unità operativa

25.500

a.2) finanziamenti diretti acquisibili con certezza da parte diUniversità/Enti vigilati di appartenenza dei ricercatoridell'unità operativab.1) finanziamenti diretti disponibili messi a disposizione daparte di soggetti esternib.2) finanziamenti diretti acquisibili con certezza, messi adisposizione da parte di soggetti esternic) cofinanziamento richiesto al MUR 59.500

Totale 85.000

19 - Certifico la dichiarata disponibilità e l'utilizzabilità dei finanziamenti a.1) a.2) b.1) b.2)SI

Firma _____________________________________

(per la copia da depositare presso l'Ateneo e per l'assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i programmifinanziati e la loro elaborazione necessaria alle valutazioni; D. Lgs, 196 del 30.6.2003 sulla "Tutela dei dati personali")

Firma _____________________________________ Data 24/10/2007 ore 18:37



ALLEGATO

Curricula scientifici dei componenti il gruppo di ricerca

Testo italiano

1. GRIOLI Giorgio

Curriculum:Giorgio Grioli ha conseguito la Laurea in Ingegneria Informatica nel Dicembre 2002 e la Laurea Specialistica in Ingengeria dell'Automazione nel Dicembre2005, entrambe presso la Facoltà di Ingegneria dell'Università di Pisa. Il suo lavoro di tesi di laurea specialistica si intitola "Studio sperimentale medianteinterfacce visuo-aptiche su modelli computazionali di stima ottima nella integrazione di stimoli visivi e tattili nell'uomo".Attualmente e studente del dottorato in Automazione Robotica e Bioingegneria presso la Facoltà di Ingegneria dell'Università di Pisa. I suoi principaliinteressi di ricerca in ambito scientifico sono:Progettazione e Controllo di giunti e attuatori robotici intrinsecamente sicuri per applicazioni di interazione fisica tra uomini e robot.Progettazione e Programmazione di ambienti di Realtà Virtuale.Progettazione e Controllo di Interfacce Aptiche.pubblicazioni non disponibili

2. LANDI Alberto

Curriculum:Nato a La Spezia il 13 Agosto 1960, si è laureato con lode in Ingegneria Elettrotecnica nel 1986 presso l'Università di Genova. Vincitore del concorso per ilDottorato di Ricerca in Ingegneria Elettrotecnica presso l'Università di Pisa, ha conseguito il titolo nel 1991.E' attualmente professore ordinario del raggruppamento K04X - Automatica, in servizio presso il Dipartimento di Sistemi Elettrici e Automazione dellaFacoltà di Ingegneria dell'Università di Pisa.Insegna i corsi di Fondamenti di Automatica per allievi Elettronici, Biomedici ed Elettrici, di Cibernetica Fisiologica per allievi della Laurea Specialistica inIngegneria dell'Automazione e in Ingegneria Biomedica e di Controlli di Processi per allievi della Laurea Specialistica in Ingegneria dell'Automazione.Dal 1988 al 2000 è stato responsabile locale del progetto MIUR "Asservimento visivo per sistemi di manipolazione e navigazione".Dal 2004 al 2006 è stato responsabile nazionale del progetto MIUR "Miglioramento della captazione nei treni ad alta velocità mediante sviluppo dipantografi attivi e di tecniche di diagnostica non invasiva".Per gli studi nel settore ferroviario ha ricevuto premi nel 2002 dal Collegio degli Ingegneri Ferroviari Italiani, nel 2004 e nel 2007 dall'IMEChE di Londra.I suoi interessi principali di ricerca riguardano attualmente lo studio di modelli matematici di sistemi fisiologici e lo studio di metodi avanzati per laclassificazione e il 'clustering' di dati e segnali.E' autore di più di 100 articoli pubblicati in riviste e/o atti di Convegni internazionali.

Pubblicazioni:

A.BALESTRINO, D.CORSANINI, LANDI A., L.SANI. (2006). Circle-based Criteria for Performance Evaluation of Controlled DC-DC SwitchingConverters. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS. vol. 53, pp. 1862-1869 ISSN: 0278-0046.

LANDI A., L. MENCONI, L. SANI. (2006). Hough transform and thermo-vision for monitoring pantograph-catenary system. PROCEEDINGS OF THEINSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS. PART F, JOURNAL OF RAIL AND RAPID TRANSIT. vol. 220, pp. 435-447 ISSN: 0954-4097.

BARMADA S., LANDI A., PAPI M., SANI L. (2003). Wavelet Multiresolution Analysis for Monitoring the Occurrence of Arcing on Overhead ElectrifiedRailways. PROCEEDINGS OF THE INSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS. PART F, JOURNAL OF RAIL AND RAPID TRANSIT. vol. 217, pp.177-187 ISSN: 0954-4097. J.Alcock Memorial Prize 2003 Award.

BALESTRINO A., LANDI A., SANI L. (2002). Complete root contours for circle criteria and relay autotune implementation. IEEE CONTROL SYSTEMSMAGAZINE. vol. 22, pp. 82-91.

A.BALESTRINO, LANDI A., M.OULD-ZMIRLI, L.SANI. (2001). Automatic nonlinear auto-tuning method for Hammerstein modeling of electrical drives.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS. vol. 48, pp. 645-655 ISSN: 0278-0046.

A.BALESTRINO, LANDI A., L.SANI. (2000). Parameter identification of continuous systems with multiple input time delays via modulating functions. IEEPROCEEDINGS. CONTROL THEORY AND APPLICATIONS. vol. 147, pp. 19-27 ISSN: 1350-2379.

3. PALLOTTINO Lucia

Curriculum:Lucia Pallottino si è laureata in Matematica presso il Dipartimento di Matematica de l'Università di Pisa nel 1998. Ha conseguito il titolo di Dottore diRicerca in Robotica e Automazione Industriale presso il Centro ``E. Piaggio'' e il D.S.E.A. della Facoltà di Ingegneria, nel Gennaio 2002. E' stata VisitingScholar presso l'M.I.T., (dall'Ottobre del 2000 sino al Maggio del 2001) nel Laboratory for Information and Decision Systems (LIDS). E' stata VisitingResearcher presso UCLA, (nel Novembre e Dicembre del 2004) nel Mechanical and Aerospace Engineering Department.Attualmente è borsista Post-Doc presso ilCentro ``E. Piaggio'' e nell'Ottobre 2007 è risultata vincitrice di un posto di Ricercatore nel settore Ing-Inf 04presso la Facoltà di Ingegeria dell'Università di Pisa. I suoi interessi scientifici nel settore della robotica riguardano la pianificazione del moto, il controllodi veicolo anolonomi, il controllo ottimo, il controllo del traffico aereo e il controllo quantizzato.

Pubblicazioni:

A. BICCHI, A. DANESI, G. DINI, S. LA PORTA, PALLOTTINO L., I. M. SAVINO, R. SCHIAVI. (2007). A safe and secure component-based platform forheterogeneous multi-robot systems. IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION MAGAZINE. ISSN: 1070-9932. In press.

PALLOTTINO L., V. G. SCORDIO, E. FRAZZOLI, BICCHI A. (2007). Decentralized cooperative policy for conflict resolution in multi-vehicle systems.IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS. ISSN: 1552-3098.

A. BICCHI, A. CAITI, PALLOTTINO L., AND G. TONIETTI. (2005). On-line Robotic Experiments for Tele-Education at the University of Pisa.JOURNAL OF ROBOTIC SYSTEMS. vol. 22, pp. 217-230 ISSN: 0741-2223.

PALLOTTINO L., E. FERON, A. BICCHI. (2002). Conflict Resolution Problems for Air Traffic Management Systems Solved with Mixed IntegerProgramming. IEEE TRANSACTIONS ON INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS. vol. 3, pp. 3-11 ISSN: 1524-9050.

A. BICCHI, PALLOTTINO L. (2000). On optimal cooperative conflict resolution for air traffic management systems. IEEE TRANSACTIONS ONINTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS. vol. 1, pp. 221-231 ISSN: 1524-9050.



S. PANCANTI, L. LEONARDI, PALLOTTINO L., A. BICCHI. (2002). Optimal control of quantized input systems. In: Hybrid Systems: Computation andControl volume LNCS 2289 of Lecture Notes in Computer Science. (pp. 351-363). HEIDELBERG: Springer-Verlag (GERMANY).

A. BICCHI, PALLOTTINO L. (2000). Optimal planning for coordinated vehicles with bounded curvature. In: Algorithmic and Computational Robotics:New Directions. (vol. 1, pp. 167-172). The Workshop on Algorithmic Foundations of Robotics. : A K Peters.

A. BALESTRINO, PALLOTTINO L. (2007). Higher order method for non linear equations resolution: application to mobile robot control. Proc.European Control Conference. July.

A. FAGIOLINI, G. VALENTI, PALLOTTINO L., G. DINI, A. BICCHI. (2007). Decentralized Intrusion Detection for Secure Cooperative Multi-AgentSystems. Proc. IEEE Int. Conf. on Decision and Control.

P. ALRIKSSON, J. NORDH, K.-E. ARZEN, A. BICCHI, A. DANESI, R. SCHIAVI, PALLOTTINO L. (2007). A Component-Based Approach to Localizationand Collision Avoidance for Mobile Multi-Agent Systems. Proc. European Control Conference (ECC),. July. (pp. 4285-4292).

PALLOTTINO L., A. BICCHI. (2007). A Dynamic Programming Approach to Optimal Planning for Vehicles with Trailers. Proc. IEEE Int. Conf. onRobotics and Automation. (pp. 3098-3103).

PALLOTTINO L., A. BICCHI, E. FRAZZOLI. (2007). Probabilistic verification of decentralized multi-agent control strategies: a case study in conflictavoidance. American Control Conference (ACC). (pp. 170-175).

A. DANESI, A. FAGIOLINI, I. SAVINO, PALLOTTINO L., R. SCHIAVI, G. DINI, AND A. BICCHI. (2006). A scalable platform for safe and securedecentralized traffic management of multiagent mobile systems. ACM Workshop on Real-World Wireless Sensor Networks.

A. BALESTRINO, A. BICCHI, A. CAITI, T. CECCHINI, PALLOTTINO L., A. PISANI, G. TONIETTI. (2004). A Robotic Set-Up with Remote Access for``Pick and Place'' Operations Under Uncertainty Conditions. E-learning and Virtual and Remote Laboratories, Proc. VIRTUAL-LAB 2004. (pp. 144-149).

PALLOTTINO L., V. G. SCORDIO, A. BICCHI. (2004). Decentralized Cooperative Conflict Resolution Among Multiple Autonomous Mobile Agents.Proc. IEEE Int. Conf. on Decision and Control. (pp. 4758-4763).

S. PANCANTI, PALLOTTINO L., D. SALVADORINI, A. BICCHI. (2004). Motion Planning through Symbols and Lattices. Proc. IEEE Int. Conf. onRobotics and Automation. (pp. 3914-3919).

PALLOTTINO L., A. BICCHI, S. PANCANTI. (2002). Safety of a decentralized scheme for Free-Flight ATMS using Mixed Integer Linear Programming.American Control Conference. (pp. 742-747).

A. BICCHI, PALLOTTINO L., M. BRAY, P. PERDOMI. (2001). Randomized parallel simulation of constrained multibody systems for VR/hapticapplications. Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation. (vol. 3, pp. 2319-2324).

4. SCHIAVI Riccardo

Curriculum:Riccardo Schiavi ha ricevuto la Laurea in Ingegneria Informatica nel 2004 dall'Università di Pisa. Attualmente è studente del corso di dottorato in RoboticaAutomatica e Bioingegneria presso Centro Interdipartimentale di Ricerca ``E. Piaggio'' ed il Dipartimento di Sistemi Elettrici e Automazione. La sua ricercariguarda principalmente lo sviluppo ed il controllo di attuatori per l'iterazione fisica tra robot ed operatori e sistemi embedded.

Pubblicazioni:

A. BICCHI, A. DANESI, G. DINI, S. LA PORTA, I. M. SAVINO L. PALLOTTINO, SCHIAVI R. (2007). A safe and secure component-based platform forheterogeneous multi-robot systems. IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION MAGAZINE. ISSN: 1070-9932.

G. BOCCADAMO, SCHIAVI R., S. SEN, G. TONIETTI, A. BICCHI. (2006). Optimization and Fail-Safety Analysis of Antagonistic Actuation for pHRI. In:IN HENRIK I. CHRISTENSEN. Tracts in Advanced Robotics. (vol. 22, pp. 109-118). BERLIN: Springer / Heidelberg (GERMANY).

G. TONIETTI, SCHIAVI R., A. BICCHI. (2006). G. Tonietti, R. Schiavi, and A. Bicchi. Optimal Mechanical/Control Design for Safe and Fast Robotics. InOussama Khatib Marcelo H. Ang, editor, Experimental Robotics IX: The 9th International Symposium on Experimental Robotics. In: H. ANG.SpringerTracts in Advanced Robotics. (vol. 21, pp. 311-320). BERLIN / HEIDELBERG: Springer (GERMANY).

P. ALRIKSSON, J. NORDH, K.-E. RZN, A. BICCHI, A. DANESI, SCHIAVI R., L. PALLOTTINO. (2007). A Component-Based Approach to Localizationand Collision Avoidance for Mobile Multi-Agent Systems. European Control Conference 2007. 2-5 Luglio 2007. (pp. 4285-4292).

A. DANESI, A. FAGIOLINI, I. SAVINO, L. PALLOTTINO, SCHIAVI R., G. DINI, A. BICCHI. (2006). A scalable platform for safe and securedecentralized traffic management of multiagent mobile systems. Real-World Wireless Sensor Networks - REALWSN'06. 19 Giugno 2006.

A. DANESI, I. M. SAVINO, SCHIAVI R., A. BICCHI, G. DINI. (2006). Security and Advanced Control Issues in a Robotic Platform for Monitoring andRelief. European Workshop on Wireless Sensor Networks 2006. 13-15 Febbraio 2006. 2006 February 13-15, ETH Zurich, 2006. (pdf) (abstract) (bibtexentry).

A. ALBU-SCHAFFER, A. BICCHI, G. BOCCADAMO, R. CHATILA, A. DE LUCA, A. DE SANTIS, G. GIRALT, G. HIRZINGER, V. LIPPIELLO, R.MATTONE, SCHIAVI R., B. SICILIANO, G. TONIETTI, L. VILLANI. (2005). Physical Human-Robot Interaction in Anthropic Domains: Safety andDependability. 4th IARP/IEEE-EURON Workshop on Technical Challenges for Dependable Robots in Human Environments. Giugno 2005. In Proc. 4thIARP/IEEE-EURON Workshop on Technical Challenges for Dependable Robots in Human Environments.

G. TONIETTI, SCHIAVI R., A. BICCHI. (2005). Design and Control of a Variable Stiffness Actuator for Safe and Fast Physical Human/Robot Interaction.IEEE International Conference on Robotics and Automation - ICRA 2005. 18-22 Aprile 2005. (pp. 528-533).

A. BICCHI, G. TONIETTI, SCHIAVI R. (2004). Safe and Fast Actuators for Machines Interacting with Humans. 1st Technical Exhibition BasedConference on Robotics and Automation - TExCRA2004. 18-19 Novembre 2004.

5. WEILEMANN BELO Felipe Augusto

Curriculum:Felipe A. W. Belo ha ricevuto il titolo di Laurea in Ingegneria del Controllo e Automazione nel 2003 e il titolo di Master in Ingegneria Elettrica nel 2006presso la Pontificia Università Cattolica (PUC-Rio), Brasile. Attualmente, frequenta il corso di dottorato presso l'Università degli Studi di Pisa, Italia, dagennaio 2007.

I suoi interessi scientifici sono nell'ambito della robotica mobile, pianificazione del movimento, "computer vision" e intelligenza artificiale. Ha lavorato sul"Visual SLAM" e attualmente lavora su problemi di visione monoculare.

Pubblicazioni:

SUJAN V.A, MEGGIOLARO M.A, WEILEMANN BELO F. (2007). Mobile Robot Simultaneous Localization and Mapping Using Low Cost Vision Sensors.In: STAR (Springer Tracts in Advanced Robotics),.

SUJAN V.A, MEGGIOLARO M.A, WEILEMANN BELO F. (2006). Information Based Indoor Environment Robotic Exploration and Modeling Using 2-DImages and Graphs. AUTONOMOUS ROBOTS. vol. 21, pp. 15-28 ISSN: 0929-5593.



SUJAN V.A, MEGGIOLARO M.A, WEILEMANN BELO F. (2006). Mobile Robot Simultaneous Localization and Mapping Using Low Cost Vision Sensors.10th International Symposium on Experimental Robotics (ISER '06).

SUJAN V, WEILEMANN BELO F., MEGGIOLARO M. A. (2005). Mobile Robot Localization and Mapping Using Space Invariant Transforms. 18Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica (COBEM).

SUJAN V.A, WEILEMANN BELO F., MEGGIOLARO M. (2006). Mobile Robot Localization and Mapping Using Space Invariant Transforms. In:EDITORS P.E. MIYAGI, O. HORIKAWA, E. VILLANI. ABCM Symposium Series in Mechatronics. (vol. 2, pp. 226-233). ISBN: 978-85-85769-26-0. :(BRAZIL).

6. ZINI Giancarlo

Curriculum:Il Prof. Zini è professore Ordinario del settore scientifico disciplinare ING-INF04, presso il Dipartimento di Sistemi Elettrici e Automazione presso laFacoltà di Ingegneria della Università di Pisa.

Pubblicazioni:

S. BARSALI, M. CERAOLO, R. GIGLIOLI, ZINI G. (2002). Experiences in the use of neural networks for short-term small-load forecasting. PMAPS2002, 7th international conference on "Probabilistic Methods Applied to Power Systems",. (vol. 1, pp. 203-208).

M.CERAOLO, R. GIGLIOLI, ZINI G. (1999). Previsione del carico di utenze medio-piccole mediante l'uso di reti neurali. GIE '99. (vol. 1).

Testo inglese

1. GRIOLI Giorgio

Curriculum:Giorgio Grioli obtained the "Laurea" degree (bachelor degree) in Computer Science Engineering in December 2002 and "Laurea Specialistica" degree(Master Degree) in Automation Engineering in December 2005, both from the Engineering Faculty of University of Pisa. His Master degree thesys work wastitled "Studio sperimentale mediante interfacce visuo-aptiche su modelli computazionali di stima ottima nella integrazione di stimoli visivi e tattili nell'uomo"("Experimental study trough visuo-haptic interfaces, about computational models for optimal estimation in the integration of visual and tactile stimuli inhumans").He is actually a PhD student in the PhD course in Automation Robotics and Bio-engineering, at the Engineering Faculty of University of Pisa.His main research interests span over:Design and Control of intrisically safe robotic joints and actuators for physical human-robot interaction.Design and Implementation of Virtual Reality Environments.Design and Control of Haptic interfaces.

2. LANDI Alberto

Curriculum:Alberto Landi was born in La Spezia, on August 13, 1960. He obtained the Laurea degree in Electrical Engineering with honors from the University of Genoain 1986 and the PHD Degree in Electrical Engineering from the University of Pisa in 1991.He is currently full professor of Automatic Control, teaching courses of Fundaments of Automatic Control (undergraduate students in Electronical, Electricaland Biomedical engineering) Process Control (graduate students in Automation engineering) and Physiological Control Systems (graduate students inBiomedical engineering), where feedback theory is related to human physiologic dynamics.From 1998 to 2000 he was Coordinator of the Pisa unit of the national Project "Visual servoing for manipulator and navigation systems".From 2004 to 2006 he was Principal Investigator of the national research Project "Improvement of current transmission for high speed trains by means ofactive pantographs and non invasive diagnostics".For his studies on the signal analysis and monitoring of overhead contact in pantograph-catenary systems he was awarded from Italian Institution ofRailways Engineers (CIFI) in 2002 and in 2004 and in 2007 from the Railway Division of the Institution of Mechanical Engineers of London.His current research interests include, among others, mathematical models of physiological systems as well as the study of methods for signal and dataclassification and clustering.He has coauthored over 100 published technical papers.

Publications:

A.BALESTRINO, D.CORSANINI, LANDI A., L.SANI. (2006). Circle-based Criteria for Performance Evaluation of Controlled DC-DC SwitchingConverters. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS. vol. 53, pp. 1862-1869 ISSN: 0278-0046.

LANDI A., L. MENCONI, L. SANI. (2006). Hough transform and thermo-vision for monitoring pantograph-catenary system. PROCEEDINGS OF THEINSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS. PART F, JOURNAL OF RAIL AND RAPID TRANSIT. vol. 220, pp. 435-447 ISSN: 0954-4097.

BARMADA S., LANDI A., PAPI M., SANI L. (2003). Wavelet Multiresolution Analysis for Monitoring the Occurrence of Arcing on Overhead ElectrifiedRailways. PROCEEDINGS OF THE INSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS. PART F, JOURNAL OF RAIL AND RAPID TRANSIT. vol. 217, pp.177-187 ISSN: 0954-4097. J.Alcock Memorial Prize 2003 Award.

BALESTRINO A., LANDI A., SANI L. (2002). Complete root contours for circle criteria and relay autotune implementation. IEEE CONTROL SYSTEMSMAGAZINE. vol. 22, pp. 82-91.

A.BALESTRINO, LANDI A., M.OULD-ZMIRLI, L.SANI. (2001). Automatic nonlinear auto-tuning method for Hammerstein modeling of electrical drives.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS. vol. 48, pp. 645-655 ISSN: 0278-0046.

A.BALESTRINO, LANDI A., L.SANI. (2000). Parameter identification of continuous systems with multiple input time delays via modulating functions. IEEPROCEEDINGS. CONTROL THEORY AND APPLICATIONS. vol. 147, pp. 19-27 ISSN: 1350-2379.

3. PALLOTTINO Lucia

Curriculum:Lucia Pallottino received the ''Laurea'' degree in Math from the Department of Mathematics in the University of Pisa in 1998. She got a Doctoral degree inRobotics and Industrial Automation at Centro ``E. Piaggio'' and D.S.E.A. at the faculty of Engineering, in January 2002. She has been Visiting Scholar inM.I.T., (from October 2000 until May 2001) in the Laboratory for Information and Decision Systems (LIDS). She has been Visiting Researcher in UCLA, (inNovember and December 2004) in the Mechanical and Aerospace Engineering Department.


Ministero dell Università e della Ricerca,She is currently a researcher in the Interdepartmental Research Center ``E. Piaggio'' in the University of Pisa. Her main research interests within Roboticsare in motion planning and control for nonholonomic vehicles, optimal control, Air Traffic Management Systems and quantized control.

Publications:

A. BICCHI, A. DANESI, G. DINI, S. LA PORTA, PALLOTTINO L., I. M. SAVINO, R. SCHIAVI. (2007). A safe and secure component-based platform forheterogeneous multi-robot systems. IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION MAGAZINE. ISSN: 1070-9932. In press.

PALLOTTINO L., V. G. SCORDIO, E. FRAZZOLI, BICCHI A. (2007). Decentralized cooperative policy for conflict resolution in multi-vehicle systems.IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS. ISSN: 1552-3098.

A. BICCHI, A. CAITI, PALLOTTINO L., AND G. TONIETTI. (2005). On-line Robotic Experiments for Tele-Education at the University of Pisa.JOURNAL OF ROBOTIC SYSTEMS. vol. 22, pp. 217-230 ISSN: 0741-2223.

PALLOTTINO L., E. FERON, A. BICCHI. (2002). Conflict Resolution Problems for Air Traffic Management Systems Solved with Mixed IntegerProgramming. IEEE TRANSACTIONS ON INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS. vol. 3, pp. 3-11 ISSN: 1524-9050.

A. BICCHI, PALLOTTINO L. (2000). On optimal cooperative conflict resolution for air traffic management systems. IEEE TRANSACTIONS ONINTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS. vol. 1, pp. 221-231 ISSN: 1524-9050.

S. PANCANTI, L. LEONARDI, PALLOTTINO L., A. BICCHI. (2002). Optimal control of quantized input systems. In: Hybrid Systems: Computation andControl volume LNCS 2289 of Lecture Notes in Computer Science. (pp. 351-363). HEIDELBERG: Springer-Verlag (GERMANY).

A. BICCHI, PALLOTTINO L. (2000). Optimal planning for coordinated vehicles with bounded curvature. In: Algorithmic and Computational Robotics:New Directions. (vol. 1, pp. 167-172). The Workshop on Algorithmic Foundations of Robotics. : A K Peters.

A. BALESTRINO, PALLOTTINO L. (2007). Higher order method for non linear equations resolution: application to mobile robot control. Proc.European Control Conference. July.

A. FAGIOLINI, G. VALENTI, PALLOTTINO L., G. DINI, A. BICCHI. (2007). Decentralized Intrusion Detection for Secure Cooperative Multi-AgentSystems. Proc. IEEE Int. Conf. on Decision and Control.

P. ALRIKSSON, J. NORDH, K.-E. ARZEN, A. BICCHI, A. DANESI, R. SCHIAVI, PALLOTTINO L. (2007). A Component-Based Approach to Localizationand Collision Avoidance for Mobile Multi-Agent Systems. Proc. European Control Conference (ECC),. July. (pp. 4285-4292).

PALLOTTINO L., A. BICCHI. (2007). A Dynamic Programming Approach to Optimal Planning for Vehicles with Trailers. Proc. IEEE Int. Conf. onRobotics and Automation. (pp. 3098-3103).

PALLOTTINO L., A. BICCHI, E. FRAZZOLI. (2007). Probabilistic verification of decentralized multi-agent control strategies: a case study in conflictavoidance. American Control Conference (ACC). (pp. 170-175).

A. DANESI, A. FAGIOLINI, I. SAVINO, PALLOTTINO L., R. SCHIAVI, G. DINI, AND A. BICCHI. (2006). A scalable platform for safe and securedecentralized traffic management of multiagent mobile systems. ACM Workshop on Real-World Wireless Sensor Networks.

A. BALESTRINO, A. BICCHI, A. CAITI, T. CECCHINI, PALLOTTINO L., A. PISANI, G. TONIETTI. (2004). A Robotic Set-Up with Remote Access for``Pick and Place'' Operations Under Uncertainty Conditions. E-learning and Virtual and Remote Laboratories, Proc. VIRTUAL-LAB 2004. (pp. 144-149).

PALLOTTINO L., V. G. SCORDIO, A. BICCHI. (2004). Decentralized Cooperative Conflict Resolution Among Multiple Autonomous Mobile Agents.Proc. IEEE Int. Conf. on Decision and Control. (pp. 4758-4763).

S. PANCANTI, PALLOTTINO L., D. SALVADORINI, A. BICCHI. (2004). Motion Planning through Symbols and Lattices. Proc. IEEE Int. Conf. onRobotics and Automation. (pp. 3914-3919).

PALLOTTINO L., A. BICCHI, S. PANCANTI. (2002). Safety of a decentralized scheme for Free-Flight ATMS using Mixed Integer Linear Programming.American Control Conference. (pp. 742-747).

A. BICCHI, PALLOTTINO L., M. BRAY, P. PERDOMI. (2001). Randomized parallel simulation of constrained multibody systems for VR/hapticapplications. Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation. (vol. 3, pp. 2319-2324).

4. SCHIAVI Riccardo

Curriculum:Riccardo Schiavi received the Laurea Degree in computer science in 2004 from the Faculty of Engineering, University of Pisa. Currently, he is a Ph.D.student in robotics automation and bioengineering at the Centro Interdipartimentale di Ricerca ``E. Piaggio'' and at the Dipartimento di Sistemi Elettrici eAutomazione. His research is involved on the development and control of actuators for physical human robot interaction and embedded systems.

Publications:

A. BICCHI, A. DANESI, G. DINI, S. LA PORTA, I. M. SAVINO L. PALLOTTINO, SCHIAVI R. (2007). A safe and secure component-based platform forheterogeneous multi-robot systems. IEEE ROBOTICS AND AUTOMATION MAGAZINE. ISSN: 1070-9932.

G. BOCCADAMO, SCHIAVI R., S. SEN, G. TONIETTI, A. BICCHI. (2006). Optimization and Fail-Safety Analysis of Antagonistic Actuation for pHRI. In:IN HENRIK I. CHRISTENSEN. Tracts in Advanced Robotics. (vol. 22, pp. 109-118). BERLIN: Springer / Heidelberg (GERMANY).

G. TONIETTI, SCHIAVI R., A. BICCHI. (2006). G. Tonietti, R. Schiavi, and A. Bicchi. Optimal Mechanical/Control Design for Safe and Fast Robotics. InOussama Khatib Marcelo H. Ang, editor, Experimental Robotics IX: The 9th International Symposium on Experimental Robotics. In: H. ANG.SpringerTracts in Advanced Robotics. (vol. 21, pp. 311-320). BERLIN / HEIDELBERG: Springer (GERMANY).

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Ministero dell Università e della Ricerca,5. WEILEMANN BELO Felipe Augusto

Curriculum:Felipe A. W. Belo received the B.S. degree in Control and Automation Engineering in 2003 and the M.S. degree in Electrical Engineering in 2006 , both fromthe Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro (PUC-Rio), Brazil. He is currently working toward the Ph.D. at Universtà di Studi di Pisa, Italy, sincejanuary, 2007.

He is interested in mobile robotics, control theory, motion planning, computer vision and artificial inteligence. He has done work on Visual SLAM algorithmsand is currently working on monocular vision problems.

Publications:

SUJAN V.A, MEGGIOLARO M.A, WEILEMANN BELO F. (2007). Mobile Robot Simultaneous Localization and Mapping Using Low Cost Vision Sensors.In: STAR (Springer Tracts in Advanced Robotics),.

SUJAN V.A, MEGGIOLARO M.A, WEILEMANN BELO F. (2006). Information Based Indoor Environment Robotic Exploration and Modeling Using 2-DImages and Graphs. AUTONOMOUS ROBOTS. vol. 21, pp. 15-28 ISSN: 0929-5593.

SUJAN V.A, MEGGIOLARO M.A, WEILEMANN BELO F. (2006). Mobile Robot Simultaneous Localization and Mapping Using Low Cost Vision Sensors.10th International Symposium on Experimental Robotics (ISER '06).

SUJAN V, WEILEMANN BELO F., MEGGIOLARO M. A. (2005). Mobile Robot Localization and Mapping Using Space Invariant Transforms. 18Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica (COBEM).

SUJAN V.A, WEILEMANN BELO F., MEGGIOLARO M. (2006). Mobile Robot Localization and Mapping Using Space Invariant Transforms. In:EDITORS P.E. MIYAGI, O. HORIKAWA, E. VILLANI. ABCM Symposium Series in Mechatronics. (vol. 2, pp. 226-233). ISBN: 978-85-85769-26-0. :(BRAZIL).

6. ZINI Giancarlo

Curriculum:Professor Zini is Full Professor of Automation at the Department of Electrical Systems and Automation, Faculty of Engineering, University of Pisa.

Publications:

S. BARSALI, M. CERAOLO, R. GIGLIOLI, ZINI G. (2002). Experiences in the use of neural networks for short-term small-load forecasting. PMAPS2002, 7th international conference on "Probabilistic Methods Applied to Power Systems",. (vol. 1, pp. 203-208).

M.CERAOLO, R. GIGLIOLI, ZINI G. (1999). Previsione del carico di utenze medio-piccole mediante l'uso di reti neurali. GIE '99. (vol. 1).


2 - durata del progetto di ricerca 3 - coordinatore …...prototypes based on magnetorheological...

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