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Dalla Robotica alla realtà virtuale: le tecnologie per l'interazione avanzata uomo-macchina
Prof. Antonio FrisoliPERCRO, TeCIP Institute, Scuola Superiore Sant’Anna
L’evoluzione delle tecnologie robotiche
� Ma i robots, sono sempre più presenti negli ambienti di vita quotidiana ed a contatto con l’uomo, richiedendo quindi l’evoluzione verso tecnologie robotiche in grado di percepire e di interagire con l’uomo in modo sicuro.
� Il progresso delle tecnologie di interazione uomo-computer (HCI) ha fatto sì che anche i paradigmi di interazione innovativi siano sempre di più alla portata di un grande numero di persone (Nintendo 3DS, Kinect)
The RUR robot così come appare in un film tratto dall’opera di Karel Capek's Rossum. Circa 1930's.
� La parola ROBOT ha origine da una parola ceca “robota” che significa lavoro forzato. Per la prima volta fu introdotta nel 1921 dallo scrittore ceco lo scrittore ceco Karel Capeckin R.U.R., commedia, nella quale le macchine sono capaci di passioni, e prese da impeto vendicativo, le macchine, liberate, perseguono i loro carcerieri punendoli per le umiliazioni subite.
EMIEW2Hitachi (Japan)
JUSTINDLR (Germany)
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Storia robotica
� Alcuni robots famosio PUMA (Programmable Universal Machine for
Assembly) ’78o SCARA (Selective Compliant Articulated Robot
Assembly) ’79
� Anni’80: miglioramento della performance: feedback control and design; I bracci robotici diventano più flessibili. Robot a cinematica parallela
� Anni’90: Robot autonomi mobili, robot controllati da sistemi di visione, walking robots, surgical robotics
Esempio robot industriale COMAU
Smart NH1-2.6
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L’evoluzione della robotica a partire dalla nascita
1951 Primiesperimentidi teleoperazione
1961 Foundation of Unimationand first production of PUMA robot
’80 Robots usati semprepiù nellaproduzioneindustriale
’90 Introduzionedi nuovearchitetturedi robots
2000- Le nuovegenerazionidi robots
Dal Personal Computer al Personal Robot?
L’introduzione negli anni ’70 del concetto di personal computer ha radicalmente cambiato il modo di intendere l’uso del pc e determinato un’evoluzione tecnologica senza precedenti
� Verso robots indossabili e che interagiscono con l’uomo
� Il robot interagisce con l’uomo su due livellio _cHRI: [Cognitive Human-Robot
Interaction], riguarda la comunicazione tra uomo e robot attraverso I caniali di comunicazione disponibili (displaysvideo, suoni, movimento, linguaggio parlato, espressione facciale, direzione dello sguardo)
o _pHRI: [Physical Human Robot Interaction], robots si distinguono dai computers perchè realizzano fisicamente un legame tra azione e percezione. Nella Interazione fisica i robots condividono lo stesso spazoidell’uomo e sono addirittura in contatto fisico.
Dal robot industriale…
verso
…il personal robot
Il personal robot è sempre con te,coopera nei compiti,ti assiste, ti aiuta, ti fa compagnia
Korean museum guide
Technical University of Munich
HRP4 and HAL from Japan
NH1, il robot COMAU per le linee di montaggio
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Aumento della prestazione mediante sistemirobotici: the X-Man Paradigm
� E’ possibili aumentare le proprie prestazioni fisiche attraverso l’utilizzo di sistemi robotici?
� Tre campi applicativio Applicazioni labor-intensive o di aumentazione delle
capacità umaneo Sporto Disabilità
� Fin dagli anni ’60, la “General Electrics” inseguì questo sogno cercando per prima di realizzare una vera e propria armatura robotica indossabile, Hardiman.
� Ma nell’era dell’elettronica analogica i tempi non erano ancora maturi per garantire la sicurezza e la capacità di funzionamento ed il progetto fu abbandonato senza successo.
Si può indossare un robot?
� Qual è il massimo grado di integrazione e cooperazione che un uomo ed un robot possono realizzare?o Robot indossabili per
• Potenziamento delle capacità corporee (Body Augmentation)
• Recupero delle capacità motorie
From fiction….
… to real word
ROBOT INDUSTRIALE
TRADIZIONALE
Robotsindossabili di
nuova generazione
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Una società che invecchia
� Inoltre nei Paesi a sviluppo avanzato l’invecchiamento della popolazione conduce ad un incremento della popolazione anziana, e.g. nella sola Italia ci si aspetta che nel 2030 un italiano su tre avrà un’età superiore ai 65anni, per cui come da un recente rapporto dell’OMS “invecchiare è un privilegio e una meta della società” che costituisce anche una sfida con “un impatto su tutti gli aspetti della società del XXI secolo.”
� In questo caso la tecnologia robotica viene in aiuto. Diverse patologie neuromuscolari sono associate all’invecchiamento, portando nel tempo ad un decadimento delle funzioni motorie. I robots riabilitativi possono fornire un valido aiuto, in termini assistenziali e di riabilitazione.
Population under 20Population over 65Population over 80
Una storia di successo: il sistema ReWalk
� L’inventore di questo innovativo sistema era un ingegnere meccanico israeliano dr. Amit Gofferche perse l’uso delle gambe in un incidente automobilitistico.
� Frustrato dalle limitazione dell’essere seduto in carrozzina, decide di mettere a punto delle gambe robotiche indossabili che gli consentissero di stare in piedi e di poter camminare, per poter finalmente rivedere la vita dallo stesso punto di vista degli altri. Il sistema utilizza sensori di movimento per decodificare i movimento di chi lo indossa e tradurli in spostamenti per le gambe.
� E’ recente l’inizio della sperimentazione del sistema ReWalk in Italia presso la clinilca Villa Beretta (Agosto 2012) e presso Centro Protesi Inail (Ottobre 2012)
� Ma quali sono i challenges:o Autonomiao Usabilità, versatiitào Possibilità di utilizzare strategie semplici di
contrololo
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BCI per la riabilitazione motoria-cognitiva
Feedback for
subject training
Machine
learning
Nella riabilitazione dopo eventi di ischemiacerebrale (stroke) stiamo sperimentandol’utilizzo di interfacce uomo-cervello percomandare robots (Brain ComputerInterfaces).In questo modo si vuole stimolare lariattivazione di quei circuiti cerebralidanneggiati dalla malattia.
���� Users learn to perform motor imagery tasks to modulate mu and beta EEG power over the
motor cortex
The activity the subject is expected tomodulate may be homologous to that which
has to be rehabilitated (e.g. handclosing/opening)
EEG BCI based on Motor Imagery
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Controllo BCI di un robot @ SSSA
Alla ricerca del potenziamento corporeo negli Stati Uniti
� La Sarcos, su commissione dell’agenzia di ricerca statunitense DARPA, ha realizzato questo eoscheletroidraulico con tecnologia idraulica, per il potenziamento corporeo.
� Il sistema fa uso di sensori delocalizzati nella imbracatura indossa che consentono al robot di intuire le intenzioni dell’operatore per assecondarlo nelle manovre.
� Questi sistemi consentono anche di alleviare la fatica fisica nel trasporto di carichi pesanti e richiedono che l’operatore abbia
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Verso gli scenari di automazione
Dal Giappone agli Stati Uniti
Mentre in Giappone si sviluppa il T52 per le operazioni in caso di disastriambientali, negli stati uniti la Sarcossviluppa Big Arm: sistema idraulicoteleoperato dall’operatore posto in condizioni di sicurezza.
Power augmentation @ SSSA / Italy
� Caratteristiche del sistema Body Extendero Un sistema esoschetrico per tutto il corpo
che consente l’amplificazione della forzao 22 unità di attuazione distribuite con 20 unità
di controllo che presiedono alla loro gestioneo Capacità di sviluppare forza fino a 10 volte le
capacità umane, per consentire ad un operatore di sollevare un carico fino a 100 Kg con due mani
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Il dietro le quinte dello sviluppo tecnologico: open challenges
� Sviluppo di algoritmi che siano in grado di garantire la stabilità dell’interazione, anche in condizioni di imprevedibilità del comportamento dell’uomo
� Simbiosi che si realizza tra uomo e macchina: la macchina deve essere in grado di decodificare le intenzioni di movimento dell’operatore ed assecondarle.
� Il sistema deve comportarsi in modo trasparente, nonostante il peso (si pensi come esempio ai servosterzi delle autovetture)
pHRI
� pHRI robots will be designed to coexist and cooperate with humans in applications such aso assisted industrial manipulationo collaborative assemblyo domestic worko entertainmento rehabilitationo medical applications.
Bicchi, Colgate et al 2007Safety for human robot interaction, Handbook of Robotics
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Safety
� Injury indicators used in the automobile industry which for the head usually focus on its acceleration.
� The most prominent measure in the literature is the Head Injury Criterion (HIC) [10], defined as, where Xhis the acceleration of human head to be measured in g
Haddadin,2008 IROS
Understanding safety
� Manipulator safety is dependent on a manipulator’s mechanical, electrical, and software design characteristics. However, the biggest danger present when working in close proximity with robotic manipulators is the potential for large impact loads resulting from the large effective inertia (or more generally effective impedance) of many robotic manipulators
� To evaluate the potential for serious injury due to impact we can make use of an empirical formula developed by the automotive industry to correlate head acceleration to injury severity known as the head injury criteria (HIC).
� A simple two-degrees-of-freedom (2-DOF) mass–spring model can be used to predict head accelerations that would occur during an uncontrolled impact. In combination with the HIC index, the predicted accelerations are used to estimate the likelihood of serious injury occurring during an impact between a robotic manipulator and a human.
� For the PUMA 560, an impact velocity of one meter per second produces a maximum HIC greater than 500, more than enough to cause injury
Zinn, Salisbury et al. ICRA and IJJR 2004A new actuator approach for human friendly robot design
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[Biomechanics] Variable stiffness actuators
� VSA-II implements a simple antagonistic arrangement, being less complex in parameters optimization.
� The aim of the transmission system is to get a non linear torque-displacement characteristic between the input torque applied by the motors and the angular deflection of the joint shaft.
Biologically inspired robots
Human Motion Reconstruction
Humanoid robotsNon conventional actuators
Robot hands
VSA2- Bicchi et al ICRA 2010
Verso attuatori di nuova generazione
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Come funziona l’impatto
I metodi di calcolo numerici
� L’analisi agli elementi finiti parte dal presupposto di dividere un corpo strutturalmente in parti più semplici, chiamate elementi, di modo che le equazioni di equilibrio possano essere scritte per ciascuno di questi elementi in modo semplificato
� In casi statici le equazioni di equilibrio sono lineari ed assumono una forma matriciale
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La soluzione di problemi di dinamica
� L’impatto è un classico esempio di problema con un transiente dinamico
� In questo caso le equazioni da risolvere sono equazioni matriciale differenziali del secondo ordine
� Esistono dei metodi di integrazione numerica che consentono di calcolare per passi la soluzione esatta del problema
In questo punto si prevede che si svilupperà la massima tensione e
quindi la rottura
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Altro esempio di analisi agli elementi finiti
� Il modello di un edificio a due piani
� Supponiamo di effettuare una verifica statica sotto gli effetti del peso proprio e di una pressione di superficie
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Simulazione strutturale di un edifico a due piani
Un robot come coach sportivo: lo SPRINT Rowing Demonstrator del PERCRO
ConceptIdea
Platform Design
Immersive Solution
Training Solution
MBMB
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I sistemi robotici possono essere usati per simulare condizioni ambientali
Dalle acquisizioni in acqua su
imbarcazione
Alla simulazione con sistemi integrati di
robotica ed ambientivirtuali
Force Feedback
Visual Feedback
Capturing
AudioFeedback
Vibrotactile
SPRINT Experience
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Al centro del sistema di training l’atleta
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Modello biomeccanico della prestazione
� In questo modo diviene possibile costruire un modello biomeccanico in tempo reale di quelle che sono le forze sviluppate ed i movimenti compiuti durante la voga
-600-400
-2000
200400
600800 -500
0
500
1000
1500
0
200
400
600
800
y
x
z
wristL
elbowLwristR
elbowR
shoulderL
shoulderRback
backlow
Il training sportivo della giocoliera
� Apprendere la giocoliera è un’abilità sensomotoriaparticolarmente complessa
� Le sequenze ed i vincoli temporali sono descritti dal teroma di Shannon per la giocoleria:
(F+D)H=(V+D)N
F tempo che la palla trascorre in ariaD tempo che la palla trascorre nella manoH numero di maniV tempo per cui una mano è vuotaN Numero di mani
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Il training sportivo della giocoliera
� Un sistema robotico a due bracci è stato addestrato per simulare le condizioni di addestramento della giocoleria, consentendo di modificare le condizioni ambientali
� 3 ball cascade è il patterns più semplice da apprendere e richiede in media un tempo di apprendimento di 2.13 ore
Altri sistemi di training sportivo basati surobots
� Dei cavi attuati sono in grado di trasmettere con precisionedelle forze in funzione dello scenario sportivo simulato.
Sensory-Motor Systems Laboratory dell’ETH di Zurigo
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13 Novembre 2007
Potenziare l’apprendimento in Ambienti Virtuali
�Completamenteimmersivi
oCo-locati
�Parzialmenteimmersivi
oNon-colocati
Rendering in ambienti virtuali altamente immersivi
� ThemesNovel Software Architectures for Cluster Rendering
� Rendering Network protocols for graphics rendering (including real-time compression)
� Distributed scene-graphs� Load balancing strategies
VRMEdia, spin-off of the PERCRO labotoratory wins the MindTheBridge competition
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Sistemi CAVE
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ROBOT AUTONOMI
� I robots hanno sviluppato sempre più capacità di autonomia che consenta loro di adattarsi all’ambiente e di apprendere in tempo reali comportamenti e strategie
ROBOTICA PERCETTIVA E MOBILE: verso robots con maggioricapacità percettive e di autonomia
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SISTEMI DI CONTROLLO DEL MOVIMENTO INTELLIGENTI
La navigazione autonoma basata su riconoscimento di ostacoli mobili
ROBOTICA PROBABILISTICA
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Case study #2:Controllo via EMG
Controllo via EMG demo #2
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� Controllo emg di una mano
The human motor control paradigm
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The Structure of Skeletal Muscle
Anatomy kinematics
Mechanical properties
Motion controlSynergies
PhysiologyMovement analysis
velocity
tens
ion
lengthening shortening
muscle length
tens
ion
� Force production by a muscle is dependent on its length and velocity.
Anatomy kinematics
Mechanical properties
Motion controlSynergies
PhysiologyMovement analysis
Mechanics of the neuromusculoskeletalsystem
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� The nervous system receives information on muscle length, velocity, and force.
golgi tendon organ
muscle spindle
Anatomy kinematics
Mechanical properties
Motion controlSynergies
PhysiologyMovement analysis
Mechanics of the neuromusculoskeletalsystem
Schema di funzionamento
EMG raw signal acquisition
Feature extraction
Robot command
Driver
Robot
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Onda di depolarizzazione
La zona di depolarizzazione (1-3 mm quadrati) viaggia lungo la fibra muscolare con una velocità di 2-6 m/s
“Raw” EMG
Registrazione EMG relativa a 3 differenti contrazioni delmuscolo bicipite brachiale.
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“Raw” EMG
Rumore di baseline:
• Qualità degli amplificatori EMG• Rumore circostante• Qualità delle condizioni di rilevazione
“Raw” EMG
Ogni spike ha una forma e un’ampiezza unica
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“Raw” EMG
Alcuni ordini di grandezza:
• Rumore della baseline: 3-5 microvolt (buone condizioni)• Range del segnale EMG “raw”: +/- 5000 microvolt (atleti)
• Frequenza del segnale EMG: 6-500 Hz
Analisi della distribuzione in frequenza
La maggior parte del contenuto in frequenza del segnale è posta tra 10 e 250 Hz
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Elaborazione del segnale - Rettificazione
SCOPO: eliminare la parte non riproducibile del segnale
Elaborazione del segnale – Eliminazione degli artefatti
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Elaborazione del segnale - Normalizzazione
Normalizzazione del segnale al valore medio o al valore di picco
Elaborazione del segnale – Parametri di ampiezza
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Conclusioni
� Per far fronte alle nuove frontiere della innovazione tecnologica e della società, è necessario lo studio e la ricerca di nuove tecnologie di base e lo sviluppo di nuove applicazioni.
� Ingegneri e tecnologi altamente motivati e di talento, acting as leading innovators, con forte competenza sia specifica sia multidisciplinare (importanza cruciale della formazione ) sono indispensabili per far fronte alle sfide della ricerca e della competitività.
New robotic challenges?
