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Seminario robotica ia

Marco Buttolo
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Seminario sulla robotica e L'I.A. Brevissime slide introduttive

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Seminario robotica ia
Introduzione alla robotica La robotica 竪 una disciplina tecnico-scientifica che si occupa di progettare e realizzare robot. LIntelligenza Artificiale (I.A) una disciplina informatica che si occupa di progettare e realizzare algoritmi con lobiettivo di rendere pi湛 intelligente una macchina.
Agente razionale SISTEMA DECISIONALE SENSORI ATTUATORI AGENTE ROBOTICO Percezioni Azioni
Introduzione alla robotica Il termine venne utilizzato per la prima volta dallo scienziato/ scrittore Isaac Asimov, a cui si devono anche le famose tre leggi della robotica: Un robot non pu嘆 recare danno ad un essere umano n辿 pu嘆 permettere che, a causa del proprio mancato intervento, un essere umano riceva danno. Un robot deve obbedire agli ordini impartiti dagli esseri umani, purch辿 tali ordini non contravvengano alla prima legge. Un robot deve proteggere la propria esistenza, purch辿 questa autodifesa non contrasti con la prima o con la seconda legge.
Introduzione alla robotica Materie presenti quando si studia robotica: Informatica Meccanica Elettronica Logica/matematica Fisica Chimica/ingegneria dei materiali
Tipologie robotica Settori della robotica: Robotica industriale Robotica medicale Robotica militare Robotica esplorativa Robotica educativa Robotica per lintrattenimento Biorobotica
Tipologie robot ROBOTICA INDUSTRIALE: il tipo di robotica pi湛 diffusa; la si vede applicata in svariati settori produttivi (si pensi per esempio ai robot per lassemblaggio delle autovetture della FIAT). ROBOTICA SPAZIALE: in questo ambito rientrano i robot per le esplorazioni spaziali. BIOROBOTICA: a cui fa riferimento tutta la robotica usata nel settore medicale. ROBOTICA SOCIALE: il tipo di robotica che si occupa di creare robot in grado di cooperare tra loro.
Tipologie robot ROBOTICA UMANOIDE: si occupa di progettare robot dallaspetto e della funzionalit umane. N.B: Il robot umanoide 竪 un robot con sembianze umane ma di fatto realizzato completamente con schede elettroniche, plastica, alluminio,. Un androide 竪 un esempio di robot umanoide. Un CYBORG (Organismo cibernetico) 竪 un insieme di robotica e tessuti biologici
Robot industriale
Robot industriale
Robot industriale LINK LINK GIUNTO
Robot industriale (cobots)
Bio-robotica
Bio-robotica - esempi Big Dog della Boston Dynamics -> percorre in autonomia 32 km trasporta materiali fino a 180 Kg. Cheetah -> cane scimmia progettato per supportare la fanteria In grado di superare i 47 km/h ed 竪 in grado di saltare fino a 40 cm. BionicFinWave -> pesce bionico in grado di muoversi allinterno delle tubature.
Esempi in ambito medico: 1) Occhio bionico (epiretinale, subretinale) 2) Orecchio bionico Bio-robotica (esempio medicale)
Altro esempio: orecchio bionico. Un tale dispositivo 竪 in grado di far percepire meglio i suoni ad un paziente sordo. A differenza della protesi acustica, un orecchio bionico permette di stimolare il nervo acustico con segnali elettrici. In generale un impianto cocleare 竪 composto da due componenti: Una interna -> un ricevitore che permette di stimolare il nervo acustico Una esterna -> processore Bio robotica nella medicina
ORECCHIO BIONICO
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
Robotica autonoma 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.
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
Alcuni bio robot sfruttano attuatori particolari per riprodurre movimenti fluidi ed essere anche strutturalmente meno rigidi. Tali robot si chiamano anche SOFT ROBOT in quanto usano attuatori che non fanno parte delle tre tipologie gi citate precedentemente.
I soft robot usano attuatori particolari come i polimeri elettroattivi. I soft robot sono robot soffici con capacit di adattamento superiori a quelle dei robot tradizionali: possono allungarsi, torcersi, deformarsi, esattamente come le specie animali e vegetali
Oggi, grazie allo sviluppo della tecnologia, a nuovi processi produttivi molto sofisticati e alla stampa 3D si possono fabbricare componenti integrati, senza pi湛 la necessit di parti meccaniche ad incastro. Attuatori, sensori, e altre parti possono essere creati in un materiale composito. Esempi di materiali: Polimeri elettroattivi, materiali a forma di gel che stimolati che basse tensioni si contraggono e si espandono.
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Altri soft robot sfruttano lidrogel. idrogel - un materiale viscoso composto prevalentemente d'acqua, mosse da un sistema di pompe idrauliche. Svariati sono i robot bio ispirati. Su you tube 竪 possibile vedere Alcuni interessanti robot insetto sviluppati dalla FESTO.
Un ramo della bio robotica 竪 la robotica umanoide. Tale settore Si occupa di progettare e realizzare robot che si ispirano allessere umano. Un robot umanoide dovrebbe essere in grado di muoversi in Autonomia come un umano, poter riconoscere gli oggetti, afferrarli, interagire insomma come un umano con lambiente esterno. Quindi un robot umanoide per potersi muovere ha bisogno di gambe simili a quelle umane.
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1) Studi sui sistemi di locomozione su due arti (Robot Bipedi) 2) Studi sui sistemi di manipolazione (Mano artificiali) 3) Studi sui sistemi di coordinamento Visione-Manipolazione 4) Studi sui sistemi di attuazione e sensoriali ad hoc 5) Studi su sistemi di controllo ad alto livello (AI) 6) Studi su sistemi di controllo in grado di esprimere semplici stati danimo (rabbia, felicit, stupore,indifferenza,paura....) 7) Studi sulle interfacce e i sistemi di tele-manipolazione per Robot Umanoidi (NASA)
La locomozione pu嘆 essere: 1) Su gambe 2) Su ruote Una questione molto importante: minore 竪 il numero di gambe e pi湛 complessa si fa la gestione della locomozione Sono necessari minimo due gradi di libert per spostare in avanti una gamba
A volte 竪 meglio avere 3 GDL.
Un aspetto molti importante per un robot umanoide: essere autonomi nel muoversi in ambienti esterni anche piuttosto complessi. 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
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Oltre a muoversi in modo indipendente un robot autonomo deve poter riconoscere gli oggetti e potersi afferrare e quindi manipolare. Manipolazione prensile degli oggetti: PRESA CON CHIUSURA DI FORZA PRESA CON CHIUSURA DI FORMA Nel primo caso si hanno i giunti della mano bloccata e quindi non si pu嘆 muovere loggetto tra le dita..Nel secondo caso (che comunque rientra come sotto caso del primo) il palmo della mano e le dita per intero avvolgono loggetto. Il primo tipo di chiusura si pu嘆 realizzare con un numero Di contati ridotto rispetto a secondo tipo.
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Su internet 竪 possibile trovare free molti simulatori per il problema del grasping robotico, tra cui: GraspIt (https://graspit-simulator.github.io/) OpenGrasp (http://opengrasp.sourceforge.net/)
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/
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
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
Ed in campo medico?..... Questo robot per disabili 竪 una struttura indossabile che sorregge il corpo umano. Ha dei motori posizionati sulle anche e sulle ginocchia. I motori sono comandati da un software che si trova in un computer che si mette sulle spalle come uno zainetto. Lorologio comunicatore serve ad attivare lesoscheletro.
INTELLIGENZA ARTIFICIALE (I.A): I 4 classici approcci allI.A: Sistemi basati sulla conoscenza Logica fuzzy Reti neurali Algoritmi genetici Sistemi basati sulla conoscenza (KB=Knowledge Based): Sono sistemi che in archivio hanno una serie di regole del tipo: SE (CONDIZIONE VERIFICATA) ALLORA AZIONE ALTRIMENTI ALTRA AZIONE
Logica fuzzy:
Reti neurali: [input, output desiderato]
Contatti: Mail: mbuttolo@libero.it Sito: www.marcobuttolo.com

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  • 2. Introduzione alla robotica La robotica 竪 una disciplina tecnico-scientifica che si occupa di progettare e realizzare robot. LIntelligenza Artificiale (I.A) una disciplina informatica che si occupa di progettare e realizzare algoritmi con lobiettivo di rendere pi湛 intelligente una macchina.
  • 4. Introduzione alla robotica Il termine venne utilizzato per la prima volta dallo scienziato/ scrittore Isaac Asimov, a cui si devono anche le famose tre leggi della robotica: Un robot non pu嘆 recare danno ad un essere umano n辿 pu嘆 permettere che, a causa del proprio mancato intervento, un essere umano riceva danno. Un robot deve obbedire agli ordini impartiti dagli esseri umani, purch辿 tali ordini non contravvengano alla prima legge. Un robot deve proteggere la propria esistenza, purch辿 questa autodifesa non contrasti con la prima o con la seconda legge.
  • 5. Introduzione alla robotica Materie presenti quando si studia robotica: Informatica Meccanica Elettronica Logica/matematica Fisica Chimica/ingegneria dei materiali
  • 6. Tipologie robotica Settori della robotica: Robotica industriale Robotica medicale Robotica militare Robotica esplorativa Robotica educativa Robotica per lintrattenimento Biorobotica
  • 7. Tipologie robot ROBOTICA INDUSTRIALE: il tipo di robotica pi湛 diffusa; la si vede applicata in svariati settori produttivi (si pensi per esempio ai robot per lassemblaggio delle autovetture della FIAT). ROBOTICA SPAZIALE: in questo ambito rientrano i robot per le esplorazioni spaziali. BIOROBOTICA: a cui fa riferimento tutta la robotica usata nel settore medicale. ROBOTICA SOCIALE: il tipo di robotica che si occupa di creare robot in grado di cooperare tra loro.
  • 8. Tipologie robot ROBOTICA UMANOIDE: si occupa di progettare robot dallaspetto e della funzionalit umane. N.B: Il robot umanoide 竪 un robot con sembianze umane ma di fatto realizzato completamente con schede elettroniche, plastica, alluminio,. Un androide 竪 un esempio di robot umanoide. Un CYBORG (Organismo cibernetico) 竪 un insieme di robotica e tessuti biologici
  • 14. Bio-robotica - esempi Big Dog della Boston Dynamics -> percorre in autonomia 32 km trasporta materiali fino a 180 Kg. Cheetah -> cane scimmia progettato per supportare la fanteria In grado di superare i 47 km/h ed 竪 in grado di saltare fino a 40 cm. BionicFinWave -> pesce bionico in grado di muoversi allinterno delle tubature.
  • 15. Esempi in ambito medico: 1) Occhio bionico (epiretinale, subretinale) 2) Orecchio bionico Bio-robotica (esempio medicale)
  • 16. Altro esempio: orecchio bionico. Un tale dispositivo 竪 in grado di far percepire meglio i suoni ad un paziente sordo. A differenza della protesi acustica, un orecchio bionico permette di stimolare il nervo acustico con segnali elettrici. In generale un impianto cocleare 竪 composto da due componenti: Una interna -> un ricevitore che permette di stimolare il nervo acustico Una esterna -> processore Bio robotica nella medicina
  • 18. 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
  • 19. Robotica autonoma 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.
  • 20. 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.
  • 21. 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
  • 22. Alcuni bio robot sfruttano attuatori particolari per riprodurre movimenti fluidi ed essere anche strutturalmente meno rigidi. Tali robot si chiamano anche SOFT ROBOT in quanto usano attuatori che non fanno parte delle tre tipologie gi citate precedentemente.
  • 23. I soft robot usano attuatori particolari come i polimeri elettroattivi. I soft robot sono robot soffici con capacit di adattamento superiori a quelle dei robot tradizionali: possono allungarsi, torcersi, deformarsi, esattamente come le specie animali e vegetali
  • 24. Oggi, grazie allo sviluppo della tecnologia, a nuovi processi produttivi molto sofisticati e alla stampa 3D si possono fabbricare componenti integrati, senza pi湛 la necessit di parti meccaniche ad incastro. Attuatori, sensori, e altre parti possono essere creati in un materiale composito. Esempi di materiali: Polimeri elettroattivi, materiali a forma di gel che stimolati che basse tensioni si contraggono e si espandono.
  • 26. Altri soft robot sfruttano lidrogel. idrogel - un materiale viscoso composto prevalentemente d'acqua, mosse da un sistema di pompe idrauliche. Svariati sono i robot bio ispirati. Su you tube 竪 possibile vedere Alcuni interessanti robot insetto sviluppati dalla FESTO.
  • 27. Un ramo della bio robotica 竪 la robotica umanoide. Tale settore Si occupa di progettare e realizzare robot che si ispirano allessere umano. Un robot umanoide dovrebbe essere in grado di muoversi in Autonomia come un umano, poter riconoscere gli oggetti, afferrarli, interagire insomma come un umano con lambiente esterno. Quindi un robot umanoide per potersi muovere ha bisogno di gambe simili a quelle umane.
  • 29. 1) Studi sui sistemi di locomozione su due arti (Robot Bipedi) 2) Studi sui sistemi di manipolazione (Mano artificiali) 3) Studi sui sistemi di coordinamento Visione-Manipolazione 4) Studi sui sistemi di attuazione e sensoriali ad hoc 5) Studi su sistemi di controllo ad alto livello (AI) 6) Studi su sistemi di controllo in grado di esprimere semplici stati danimo (rabbia, felicit, stupore,indifferenza,paura....) 7) Studi sulle interfacce e i sistemi di tele-manipolazione per Robot Umanoidi (NASA)
  • 30. La locomozione pu嘆 essere: 1) Su gambe 2) Su ruote Una questione molto importante: minore 竪 il numero di gambe e pi湛 complessa si fa la gestione della locomozione Sono necessari minimo due gradi di libert per spostare in avanti una gamba
  • 31. A volte 竪 meglio avere 3 GDL.
  • 32. Un aspetto molti importante per un robot umanoide: essere autonomi nel muoversi in ambienti esterni anche piuttosto complessi. 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
  • 34. Oltre a muoversi in modo indipendente un robot autonomo deve poter riconoscere gli oggetti e potersi afferrare e quindi manipolare. Manipolazione prensile degli oggetti: PRESA CON CHIUSURA DI FORZA PRESA CON CHIUSURA DI FORMA Nel primo caso si hanno i giunti della mano bloccata e quindi non si pu嘆 muovere loggetto tra le dita..Nel secondo caso (che comunque rientra come sotto caso del primo) il palmo della mano e le dita per intero avvolgono loggetto. Il primo tipo di chiusura si pu嘆 realizzare con un numero Di contati ridotto rispetto a secondo tipo.
  • 38. Su internet 竪 possibile trovare free molti simulatori per il problema del grasping robotico, tra cui: GraspIt (https://graspit-simulator.github.io/) OpenGrasp (http://opengrasp.sourceforge.net/)
  • 39. 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/
  • 40. 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
  • 41. 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
  • 42. Ed in campo medico?..... Questo robot per disabili 竪 una struttura indossabile che sorregge il corpo umano. Ha dei motori posizionati sulle anche e sulle ginocchia. I motori sono comandati da un software che si trova in un computer che si mette sulle spalle come uno zainetto. Lorologio comunicatore serve ad attivare lesoscheletro.
  • 43. INTELLIGENZA ARTIFICIALE (I.A): I 4 classici approcci allI.A: Sistemi basati sulla conoscenza Logica fuzzy Reti neurali Algoritmi genetici Sistemi basati sulla conoscenza (KB=Knowledge Based): Sono sistemi che in archivio hanno una serie di regole del tipo: SE (CONDIZIONE VERIFICATA) ALLORA AZIONE ALTRIMENTI ALTRA AZIONE