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Articoli di approfondimento - Tecnologie a portata di mano per robot abili

Un gruppo di ricercatori finanziati dall'UE ha sviluppato la prima mano robotica al mondo con cinque dita e di dimensioni umane, in grado di imparare ad afferrare e a manipolare una gamma di oggetti delicati e dalle forme poco comuni proprio come fanno gli umani.

Economia digitale

Secondo Bill Gates, arriverà presto il momento in cui ci sarà un robot in ogni casa. Sembra di essere agli albori della robotica, in quanto sistemi intelligenti e cognitivi stanno spuntando ovunque come funghi. La fotocamera e il sensore a infrarossi in nuove console per videogame alludono ad un futuro in cui possiamo controllare i dispositivi semplicemente parlando o gesticolando. Esistono persino aspirapolveri in grado di girare per casa e di pulirla mentre si è a lavoro. Tuttavia, un grosso problema che la comunità robotica ha tentato di risolvere è quello della manipolazione. "Non stiamo parlando di pinze", insiste il professor Bruno Siciliano dell'Università degli Studi di Napoli Federico II. "I computer industriali sono abbastanza bravi ad afferrare e a lasciare gli oggetti. Se i robot devono davvero trasformare la vita e il lavoro insieme agli umani, essi devono quindi essere in grado di manipolare gli oggetti proprio come questi ultimi fanno con le loro mani. La manipolazione rappresenta un'attività complessa che i robot devono imparare a gestire." In qualità di coordinatore del progetto Dexmart (1), Bruno Siciliano ha gestito un team collaborativo di ricercatori nel campo della robotica che ha costruito una mano robotica antropomorfica a cinque dita in grado di maneggiare uova, di prendere e girare una carta di credito oppure di prendere una penna da un'altra persona. "Abbiamo utilizzato la mano umana come modello", spiega il professor Claudio Melchiorri dell'Università di Bologna, dove è stato costruito il prototipo di mano, "in quanto ciò fornisce il massimo esempio di abile manipolazione." I fautori del progetto desideravano costruire una mano che somigliasse e si muovesse il più possibile come l'equivalente umano. Tuttavia, finora, nessun laboratorio di robotica è stato in grado di costruire mani umane delle giuste dimensioni. "Abbiamo avuto un'idea semplice ma estremamente efficace: utilizzando stringhe intrecciate da motori piccoli e ad alta velocità, siamo in grado di esercitare elevate forze tensili all'interno di uno spazio compatto", afferma il ricercatore di meccatronica Chris May dell'Università del Saarland, in Germania. La mano robotica è in grado di toccare vari oggetti, afferrarli, lasciarli e posizionarli delicatamente in un altro posto. Questa nuova soluzione di attuazione è stata dimostrata sulla mano Dexmart, che è stata in grado di manipolare un delicato uovo di Pasqua e una pesante bottiglia in vetro. Le stringhe intrecciate sono formate da un polimero resistente e consentono al prototipo di mano di sollevare un peso di cinque chilogrammi di 30 mm in una frazione di secondo, utilizzando piccoli motori elettronici collocati sull'avambraccio piuttosto che sulle articolazioni: ciò aiuta a conferire alla mano le giuste dimensioni. "Ciascun dito robotico, che è simile ad un dito umano con tre segmenti, può essere controllato precisamente mediante singoli tendini", afferma il ricercatore Gianluca Palli del team di Bologna. "La capacità della mano robotica è così vicina a quella degli umani che la visione dei robot come assistenti personali nelle abitazioni, nelle sale operatorie e negli scenari industriali sta diventando sempre più realistica. Presumiamo che la combinazione di piccoli motori elettrici con stringhe intrecciate potrebbe essere applicata anche ad altri dispositivi." Un cervello a portata di mano Questa mano prevede anche un cervello. "Uno degli obiettivi della robotica, specialmente per i robot compagni e i robot assistenti nella società, consiste nella loro abilità a comportarsi autonomamente", afferma il prof. Siciliano. "I robot devono rispondere alle varie situazioni in modi appropriati che non sono stati programmati in precedenza. Essi devono decidere quale azione adottare e trovare anche il movimento di base per eseguirla." Ma qual è il modo migliore per dotare i robot di questo potere cognitivo? Il prof. Siciliano ritiene che i robot, proprio come gli umani, devono apprendere mediante l'osservazione. Un gruppo di ricercatori dell'Università Karlsruhe, in Germania, della Seconda Università degli Studi di Napoli e dell'azienda tecnologica OMG nel Regno Unito hanno utilizzato una tecnologia di elaborazione di immagini avanzata per studiare i fini dettagli dei movimenti della mano umana. Gli esperti hanno bloccato i marcatori visivi su uno speciale guanto sensorizzato che hanno indossato e a cui hanno chiesto di eseguire varie attività di manipolazione catturate nel video. Gli algoritmi di elaborazione delle immagini erano in grado di monitorare i movimenti su ciascun marcatore e di utilizzare questi dati per creare regole sul modo in cui la mano robotica dovrebbe maneggiare e manipolare oggetti simili. Meccanismi di controllo efficienti, sicuri e adattativi sono essenziali per la complessa manipolazione robotica. Tuttavia, il tentativo di coordinare i movimenti di cinque dita, ciascuna con quattro articolazioni, è incredibilmente complesso. "Osservando ciascuna articolazione e le singole azioni di ciascun motore, siamo di fronte a 20 gradi di libertà, ovvero ad un meccanismo troppo complesso", spiega il prof. Siciliano. Per semplificare il problema, il suo gruppo di ricerca presso l'Università di Napoli ha tratto ispirazione dalla biologia. "La ricerca relativa al controllo e alla coordinazione della mano umana ha dimostrato che noi umani non controlliamo ciascuna articolazione separatamente, in quanto il nostro cervello controlla tutte le articolazioni allo stesso tempo e in modo coordinato. I neuroscienziati hanno dimostrato che le posizioni e i movimenti della mano umana possono effettivamente essere semplificati in appena tre cosiddette "sinergie posturali." Queste tre sinergie possono descrivere circa l'80% di tutte le azioni e le posizioni di presa possibili", afferma il ricercatore Fanny Ficuciello del team di Napoli. Il team di Napoli ha sviluppato un sistema di controllo che sarebbe in grado di raccogliere gli input dai sensori optoelettronici sulla mano (che misurano la pressione della stretta), trovare le sinergie e attuare i movimenti delle dita. La precisione della stretta che queste tre sinergie possono creare è abbastanza notevole e rende possibili manipolazioni estremamente precise. I sensori optoelettronici rappresentano un'altra grande innovazione che i partner del progetto Dexmart hanno integrato nella loro mano. Sono stati sviluppati vari sensori per la misurazione degli angoli delle articolazioni, delle forze dei tendini e delle interazioni tattili con gli oggetti. All'interno del sensore tattile, l'analisi computazionale avanzata dell'intensità della luce catturata all'interno di numerosi elementi sensibili rende possibile il calcolo delle forze esercitate sull'oggetto dalle dita e anche l'eventualità che l'oggetto scappi dalla stretta. I professori Giuseppe De Maria e Ciro Natale, insieme al ricercatore Salvatore Pirozzi della Seconda Università degli Studi di Napoli, che ha sviluppato il sensore, ha registrato un brevetto europeo per la tecnologia. "Il successo della mano Dexmart è basato sull'integrazione di tutte queste nuove tecnologie e concetti: i sensori, gli attuatori, i meccanismi di controllo e di apprendimento", afferma il prof. Siciliano. "La nostra mano dimostrativa ha dato prova delle sue capacità e stiamo attualmente ricevendo richieste di informazioni e interesse da parte di gruppi di ricerca provenienti da numerosi Paesi. Nonostante tutta questa nuova tecnologia, il costo di una di queste mani è significativamente più basso di ciò che oggi si potrebbe acquistare e che presenta livelli molto inferiori di destrezza." Lo scorso dicembre presso la RobotVille, un prototipo di mano e due dita completamente sensorizzate hanno funzionato senza errori per quattro giorni e sono stati in grado di afferrare una gamma di oggetti dalle mani dei visitatori. Attualmente, il consorzio sta esplorando la fattibilità commerciale della produzione di mani completamente funzionali inizialmente indirizzate alla comunità accademica degli studi robotici. Il progetto Dexmart ha ricevuto un finanziamento di ricerca di 6,3 milioni di euro (del budget totale del progetto di 8,1 milioni di euro) nell'ambito dell'area di ricerca "TIC" del Settimo programma quadro dell'UE. (1) "Dexterous and autonomous dual-arm/hand robotic manipulation with smart sensory-motor skills: A bridge from natural to artificial cognition". Link utili: - Sito web "Dexterous and autonomous dual-arm/hand robotic manipulation with smart sensory-motor skills: A bridge from natural to artificial cognition" - Scheda informativa del progetto Dexmart su CORDIS Video correlati: - http://wwwiaim.ira.uka.de/users/jaekel/share/Dexmart_FZI_Video.mov - http://www.dexmart.eu/fileadmin/dexmart/public_website/downloads/attentional-CNRS-UNINA_JAN-2012.mpg - http://www.dexmart.eu/fileadmin/dexmart/public_website/downloads/BeerRobot.wmv - http://www.dexmart.eu/fileadmin/dexmart/public_website/downloads/tactile_new.wmv - http://wpage.unina.it/lvillani/ftp/Dexmart/video_unibo_unina.mp4 - http://www.dexmart.eu/fileadmin/dexmart/public_website/downloads/00013-HandsUp.MTS Articoli correlati: - Articoli di approfondimento - Ispirati dalla sfida - il nostro futuro robotico