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Robotica autonoma

Marco Buttolo
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Note sulla robotica autonoma e considerazioni varie

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Robotica autonoma A cura dellIng. Marco Buttolo
Robotica autonoma La robotica autonoma 竪 un settore della robotica che si occupa di progettare e realizzare robot in grado di muoversi con una certa autonomia in ambienti sia strutturati che non strutturati e piuttosto complessi. Un ambiente pu嘆 essere: - Strutturato - Non strutturato Un ambiente strutturato 竪 un ambiente di cui si conosce a priori la tipologia e le caratteristiche geometriche degli oggetti presenti nellambiente ma anche dellambiente stesso. Per esempio: una stanza arredata, ordinata e statica nel senso che non ci sono oggetti in movimento In un ambiente non strutturato non si ha tale conoscenza a priori.
Robotica autonoma Un robot, per muoversi e lavorare in autonomia, deve possedere tutta una seria di caratteristiche, di seguito elencate: - fonte di energia (possibilmente a bordo) - Sistema decisionale a bordo - Sensori ed attuatori a bordo In questo senso, le propriet appena elencate sono proprio i fattori che distinguono un robot autonomo da un classico robot industriale presente normalmente in una azienda manifatturiera. Tali fattori sono riassumibili in: - Embodiment -> il corpo del robot contiene sensori, attuatori e sistema decisionale - Situatedness -> il robot 竪 presente realmente nellambiente e si muove in esso.
Robotica autonoma Robot di questo tipo sono i robot mobili i quali possono essere di differente tipo e spesso la classificazione la fa il tipo di attuatore. Per esempio: - Robot cingolati -> sfruttano i cingoli per muoversi - Robot bipedi, quadrupedi, -> sfruttano delle zampe per muoversi - Robot mobili tipo rover -> sfruttano delle ruote per muoversi La seguente figura mostra un robot ragno da me sviluppato con quattro zampe che gli consentono di muoversi in giro.
Robotica autonoma Di seguito viene mostrato un semplice rover da me costruito che si muove invece con quattro semplici ruote.
Robotica autonoma I robot come quelli mostrati nella slide precedente sono robot che rientrano nella categoria dei robot WMR (Wheeled Mobile Robot) Lesempio mostrato in precedenza 竪 un robot mobile a 4 ruote adatto per pendii e terreni difficili, ma i robot mobili su ruote possono anche essere robot a due ruote (semplici da realizzare ma sensibili a pendii e tendono a slittare sul terreno) o a tre ruote (sorta di triciclo). Inoltre le ruote possono essere: 1) fisse 2) orientabili
Robotica autonoma Anche i robot sottomarini sono robot mobili che sfruttano per嘆 altri sistema di movimentazione tra cui: - Classiche eliche - Getti di acqua Solitamente sono robot teleguidati in grado di operare a profondit spesso inaccessibili a noi. Ci sono due grandi famiglie di robot subacquei: 1) ROV -> (Remotely operated vehicle) il quale funziona se collegato via cavo alla base di controllo 2) AUV -> (Autonomous Underwater Vehicle) in grado di muoversi in effettiva autonomia ed 竪 in grado di trasmettere in tempo reale dati e video tramite una connessione di tipo wireless. Esempi di robot di questo tipo sono i robot che saldano le tubature nel mare, i robot che analizzano i fondali marini, Per esempio: OpenRov (kit open source per la realizzazione di robot acquatici).
Robotica autonoma Solitamente il sistema decisionale di un robot di questo tipo 竪 una classica rete neurale in cui lo strato di input codifica istante per istante lo stato sensoriale del robot. Le informazioni sensoriali che il robot riceve al generico istante di tempo t dipendono chiaramente dallazione compiuta dal robot allistante t-1 ed influenzano le azioni che dovr compiere allistante t+1
Robotica autonoma Di seguito viene mostrato lo schema generale di un agente con i concetti appena introdotti:
Robotica autonoma Le abilit necessarie per un robot autonomo sono: 1) abilit comportamentali -> ossia le abilit che gli permettono di muoversi e di sopravvivere nellambiente 2) abilit cognitive -> capacit di riconoscere e comprendere lambiente in cui 竪 immerso 3) abilit sociali -> capacit di interagire con altri robot (es: sistemi multiagente)
Robotica autonoma Come gi accennato in precedenza i robot si possono dire autonomi se possono muoversi senza laiuto delluomo in un ambiente piu o meno variegato. Lautonomia viene resa possibile dalla presenza di sensori e sistemi di elaborazione dati a bordo, per lo pi湛 dedicati a fornire una posizione del robot nel suo ambiente (auto-localizzazione) ed a permetterne la relazione con oggetti dellambiente circostante, quali persone, oggetti, e strutture. Tra i sensori utilizzati abbiamo sensori di, telecamere, sensori termici, sensori di campo magnetico, sensori di posizione quali GPS eccetera. Si pensi, per esempio, ad un ambiente produttivo (una azienda manifatturiera). In tali ambienti spesso si usano i robot AGV ( Automatic Guided Vehicle). A differenza di tali robot, che sono pensati per rimanere confinati nelle loro corsie allinterno dello stabilimento, i robot mobili operano negli stessi spazi delle persone e di tutti gli altri veicoli presenti in fabbrica (muletti, transpallet, biciclette, carrelli,). Per questa ragione la sicurezza 竪 un fattore critico per prevenire eventuali collisioni con gli operatori e gli altri ostacoli fissi o mobili presenti nellambiente
Robotica autonoma Un fattore molto importante da tenere a mente quando si parla di robot mobili autonomi: I robot mobili sono progettati per comunicare fra di loro o con un supervisore durante il loro utilizzo. La flotta di robot deve quindi essere in grado di utilizzare la rete Wi-Fi esistente e offrire un sistema di programmazione robusto e sicuro sia dal punto fisso (Pc) che dal lato mobile (robot). Devono inoltre offrire un elevato standard di sicurezza informatica per evitare di offrire un facile ingresso alla rete. E inoltre importante tener conto che, vista lelevata quantit di traffico dati generata dalla flotta, 竪 possibile sussista la necessit di implementare una rete wireless dedicata esclusivamente alla essa.
Robotica autonoma Una flotta o sciame di robot viene studiato in un settore della robotica chiamato swarm robotics. In poche parole, in tale settore della robotica si studia il comportamento dei cos狸 detti insetti sociali, ossia formiche, api, eccetera. Lo scopo di tale branchia della robotica 竪 quella di progettare e sviluppare robot in grado di riprodurre le stesse funzioni di questi insetti dal punto di vista della cooperazione per il raggiungimento di un particolare scopo. Un interessante sito legato agli swarm robots 竪 il seguente: http://www.swarm-bots.org/
Robotica autonoma I singoli robot devono possedere determinate caratteristiche che sono riassumibili in: Omogeneit Semplicit Capacit di effettuare comunicazioni locali ed elementari. Una cosa molto importante 竪 che nella robotica collettiva I robots devono: Essere autonomi Essere inclusi allinterno dellambiente in cui opereranno Poter agire solo localmente Collaborare verso un unico obiettivo
Robotica autonoma Come gi detto, un insieme di robot deve necessariamente cooperare per poter affrontare un problema, semplice o complesso che sia, e risolverlo. Tale cooperazione 竪 dettata dal comportamento collettivo (collective behaviour) del sistema, per cui tutti i robot ambiscono allo stesso risultato strutturandosi o compiendo scelte come fossero un unico robot, celando totalmente il comportamento del singolo. Questi comportamenti collettivi possono essere del seguente tipo: Organizzazione spaziale -> legata allorganizzazione della posizione del robot allinterno dellambiente in cui opera. Navigazione collettiva -> legata allorganizzazione dei movimenti dei singoli robot allinterno dello sciame
Robotica autonoma Collective decision making -> legata alla presa di un singola decisione o alla suddivisione del carico di lavoro per il raggiungimento di un determinate obiettivo. Un altro segmento legato alla robotica autonoma 竪 quella della robotica bio-ispirata o biorobotica. Sicuramente, insieme alla robotica umanoide, 竪 uno dei settori pi湛 complessi ed affascinanti. Richiede una conoscenza della meccanica, dellinformatica, della biologia, dellelettronica molto spinta.questo 竪 probabilmente il settore della robotica pi湛 trasversale.
Robotica autonoma Il seguente schema mostra come la biorobotica si inserisce nel contesto della robotica:
Robotica autonoma La seguente figura mostra un robot scorpione da me realizzato con i mattoncini LEGO:
Robotica autonoma Si pensi, a titolo di esempio, ad un robot serpente (snake robot). La cinematica diretta ed inversa di un robot serpente pu嘆 risultare estremamente complessa. Non sono robot semplici da progettare e quindi da realizzare. Un altro tipo di robot complesso 竪 il robot ragno (spider robot), il quale pu嘆 possedere un grado di complessit strutturale simile a quello del robot serpente. Alcuni famosi esempi di bio robot: 1) robot spider T8 (https://www.robugtix.com/t8x/). 2) Snake robot (http://biorobotics.ri.cmu.edu/projects/modsnake/) 3) RoboBee (https://wyss.harvard.edu/technology/autonomous-flying-microrobots- robobees/) 4) Robot Octopus (https://www.santannapisa.it/it/news/robotica-soft-il-mock-di- octopus-alla-nona-edizione-del-triennale-design-museum)
Robotica autonoma I roboBee sono robot autonomi particolari capaci di volare come gli insetti e si ispirano la mondo delle API e pertanto anche per similarit con gli swarm robots (robot in grado di cooperare tra di loro). Di seguito viene mostrata una zampa di un robot ragno da me sviluppato:
Robotica autonoma Il robot fish 竪 un robot pesce in grado di muoversi in ambiente acquatico proprio come fa un qualsiasi pesce. Robot di questo tipo devono chiaramente fare in modo che la parte elettronica sia totalmente protetta dallacqua.
Robotica autonoma Particolare importanza sta assumendo il nuovo paradigma della biorobotica: la soft robotica. La soft robotica utilizza nuovi materiali per rendere i movimenti del robot pi湛 fluidi e simili a quelli sia umani che animali. Una nuova generazione di automi destinata a svilupparsi grazie allutilizzo di materiali non rigidi ma morbidi. In questo tipo di robotica non si usano i tradizionali attuatori che qui di seguito vengono elencati: 1) Attuatori elettrici 2) Attuatori penumatici 3) Attuatori oleodinamici
Robotica autonoma Vengono usati nuovi tipi di attuatori come quelli basati sui polimeri elettroattivi. Tali materiali hanno alcune peculiarit tra cui la capacit di contrarsi ed espandersi (in lunghezza o in volume) se soggetti a stimolazioni elettriche. I polimeri elettroattivi reagiscono anche a pochi volt e sono buoni conduttori perch辿 contengono ioni come il sodio (peccano per嘆 in robustezza).
Robotica autonoma Va ricordato che i muscoli artificiali di ultima generazione si possono classificare in tre tipi distinti: Muscoli artificiali pneumatici (PAM=Pneumatic Artificial Muscle) Polimeri elettroattivi (EAP=Electroactive Polymers) Muscoli artificiali in nanotubo in carbonio (CNM=Carbon Nanotube Muscle)
Robotica autonoma La robotica autonoma acquista uno speciale significato nel mondo delle esplorazioni spaziali. Si pensi per esempio al robot mobile rover Curiosity partito per Marte per effettuare esplorazioni ed inviare alla NASA foto e video. In questo particolare ambito, 竪 sempre stata presente la necessit di sviluppare robot mobili altamente autonomi per svariati motivi tra cui: Estrema inospitalit dellambiente di esecuzione Difficolt di stabilire un controllo continuativo da Terra a causa sia delle enormi distanze coinvolte. Limitate opportunit di comunicazione determinate dalle leggi della meccanica celeste.
Robotica autonoma Svariate sono le piattaforme di sviluppo nel campo della robotica, ma ultimamente una delle pi湛 apprezzate, senza ombra di dubbio, 竪 il sistema ROS (Robotic Operating System). Il ROS non 竪 un vero e proprio sistema operativo piuttosto un insieme di librerie sviluppate per permette allingegnere robotico, figura particolare dellingegneria che progetta sistemi robotici, di sviluppare applicazioni per la robotica. http://wiki.ros.org/it Linguaggi di programmazione messi a disposizione da ROS: C++ python
Robotica autonoma Le principali librerie per processi ROS client sono orientate verso i sistemi operativi Unix, soprattutto a causa della loro dipendenza da altri software open source. Anche in Matlab 竪 possibile lavorare con il ROS (https://www.mathworks.com/help/robotics/examples/get-started-with-ros.html). In queste slides abbiamo parlato sia di robot autonomi sia di robot che cooperano. Per questo motivo si consiglia di imparare a lavorare con il ROS, in quanto spesso molti robot quotidiani contano su software basati sulla cooperazione di molti processi spesso nemmeno risiedenti sulla stessa macchina. Uno stesso task pu嘆 essere raggiunto con la coordinazione di pi湛 robot che devono agire allunisono per risolvere il problema.
Robotica autonoma E qui entra in gioco il middleware garantito da ROS che permette per lappunto di instaurare questa cooperazione tramite due meccanismi primari e topic per una comunicazione asincrona, servizi per la tipologia sincrona.
Per maggiori chiarimenti potete contattami via mail: mbuttolo@libero.it oppure sul sito: www.marcobuttolo.com

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  • 12. Robotica autonoma Un fattore molto importante da tenere a mente quando si parla di robot mobili autonomi: I robot mobili sono progettati per comunicare fra di loro o con un supervisore durante il loro utilizzo. La flotta di robot deve quindi essere in grado di utilizzare la rete Wi-Fi esistente e offrire un sistema di programmazione robusto e sicuro sia dal punto fisso (Pc) che dal lato mobile (robot). Devono inoltre offrire un elevato standard di sicurezza informatica per evitare di offrire un facile ingresso alla rete. E inoltre importante tener conto che, vista lelevata quantit di traffico dati generata dalla flotta, 竪 possibile sussista la necessit di implementare una rete wireless dedicata esclusivamente alla essa.
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  • 16. Robotica autonoma Collective decision making -> legata alla presa di un singola decisione o alla suddivisione del carico di lavoro per il raggiungimento di un determinate obiettivo. Un altro segmento legato alla robotica autonoma 竪 quella della robotica bio-ispirata o biorobotica. Sicuramente, insieme alla robotica umanoide, 竪 uno dei settori pi湛 complessi ed affascinanti. Richiede una conoscenza della meccanica, dellinformatica, della biologia, dellelettronica molto spinta.questo 竪 probabilmente il settore della robotica pi湛 trasversale.
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  • 21. Robotica autonoma Il robot fish 竪 un robot pesce in grado di muoversi in ambiente acquatico proprio come fa un qualsiasi pesce. Robot di questo tipo devono chiaramente fare in modo che la parte elettronica sia totalmente protetta dallacqua.
  • 22. Robotica autonoma Particolare importanza sta assumendo il nuovo paradigma della biorobotica: la soft robotica. La soft robotica utilizza nuovi materiali per rendere i movimenti del robot pi湛 fluidi e simili a quelli sia umani che animali. Una nuova generazione di automi destinata a svilupparsi grazie allutilizzo di materiali non rigidi ma morbidi. In questo tipo di robotica non si usano i tradizionali attuatori che qui di seguito vengono elencati: 1) Attuatori elettrici 2) Attuatori penumatici 3) Attuatori oleodinamici
  • 23. Robotica autonoma Vengono usati nuovi tipi di attuatori come quelli basati sui polimeri elettroattivi. Tali materiali hanno alcune peculiarit tra cui la capacit di contrarsi ed espandersi (in lunghezza o in volume) se soggetti a stimolazioni elettriche. I polimeri elettroattivi reagiscono anche a pochi volt e sono buoni conduttori perch辿 contengono ioni come il sodio (peccano per嘆 in robustezza).
  • 24. Robotica autonoma Va ricordato che i muscoli artificiali di ultima generazione si possono classificare in tre tipi distinti: Muscoli artificiali pneumatici (PAM=Pneumatic Artificial Muscle) Polimeri elettroattivi (EAP=Electroactive Polymers) Muscoli artificiali in nanotubo in carbonio (CNM=Carbon Nanotube Muscle)
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  • 26. Robotica autonoma Svariate sono le piattaforme di sviluppo nel campo della robotica, ma ultimamente una delle pi湛 apprezzate, senza ombra di dubbio, 竪 il sistema ROS (Robotic Operating System). Il ROS non 竪 un vero e proprio sistema operativo piuttosto un insieme di librerie sviluppate per permette allingegnere robotico, figura particolare dellingegneria che progetta sistemi robotici, di sviluppare applicazioni per la robotica. http://wiki.ros.org/it Linguaggi di programmazione messi a disposizione da ROS: C++ python
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  • 28. Robotica autonoma E qui entra in gioco il middleware garantito da ROS che permette per lappunto di instaurare questa cooperazione tramite due meccanismi primari e topic per una comunicazione asincrona, servizi per la tipologia sincrona.
  • 29. Per maggiori chiarimenti potete contattami via mail: mbuttolo@libero.it oppure sul sito: www.marcobuttolo.com