La migliore tesi europea dedicata alla robotica è stata scritta da un ricercatore italiano che ha sviluppato un nuovo tipo di tecnologia che consente ai robot movimenti naturali. La redazione di Automazionenews ne ha parlato con il protagonista, Manuel Catalano, Fellow presso l’Istituto Italiano di Tecnologia.
Potrebbe fornirci alcune informazioni su Eurobotics AISBL, sull’iter che ha portato al premio a lei conferito, e anche alcune note sulla sua attuale attività preso l’Istituto Italiano di Tecnologia?
L’Eurobotics AISBL è un’associazione internazionale no-profit volta a promuovere la cooperazione e l’integrazione tra soggetti operanti nel settore della robotica, appartenenti al mondo sia accademico che industriale. Una delle missioni principali è quella di cooperare con la Commissione Europea nella definizione, sviluppo e implementazione di una strategia comune ed efficace per lo sviluppo della ricerca, della produzione e dell’innovazione tecnologica in ambito robotico. In occasione dell’annuale European Robotics Forum 2014 viene conferito il premio Georges Giralt PhD Award, premio destinato alla migliore tesi di dottorato europea in robotica. Alcuni degli elementi chiave presi in considerazione nella valutazione sono sicuramente il forte contributo scientifico e teorico, nonché il possibile impatto in applicazioni professionali e di trasferimento tecnologico. Il mio lavoro di ricerca si contestualizza nell’ambito di una decennale collaborazione scientifica tra il Centro di Ricerca “E. Piaggio”, dipartimento dell’Università di Pisa, e dipartimento Advanced Robotics dell’Istituto Italiano di Tecnologia. Attualmente sono prevalentemente coinvolto nella prosecuzione dello studio e della progettazione di sistemi innovativi per l’attuazione e movimentazione di sistemi robotici e lo sviluppo di mani robotiche poli-articolate.
Attuatori a Impedenza Variabile: i concetti principali
La sua tesi riguarda la progettazione di una nuova generazione di robot in grado di adattare i movimenti all’ambiente circostante, cercando di avvicinare le performance, la robustezza e i movimenti naturali tipici dell’essere umano. Una delle tecnologie innovative utilizzata a tali fini, a cui lei ha contribuito nello sviluppo, è legata alla progettazione di particolari motori denominati VIA, Attuatori a Impedenza Variabile. Ci può fare una sintesi dei concetti principali?
L’essere umano, grazie alla sua particolarissima e intrinseca struttura meccanica, sia muscolare che scheletrica, riesce a eseguire sia movimenti estremamente delicati e precisi che azioni estremamente potenti e veloci. Uno degli elementi chiave che permette all’uomo tale efficienza, oltre sicuramente a capacità cognitive, di elaborazione e di controllo di altissimo livello, è la sua capacità di gestire e adattare la rigidezza dei propri muscoli alle diverse esigenze. Gli Attuatori a Impedenza Variabile presentano una struttura meccanica che interpreta e traduce opportunamente in un sistema robotico lo schema muscolare umano, introducendo una sorta d’intelligenza meccanica intrinseca, che permette a tali sistemi di essere estremamente rigidi e precisi o, all’occorrenza, estremamente morbidi e adattabili. Grazie a queste peculiarità, questi attuatori risultano essere anche estremamente robusti e sicuri, potendo assorbire, in configurazioni di bassa rigidezza, grosse quantità di energia durante gli impatti, preservando quindi sia la loro componentistica meccanica interna che il mondo che li circonda, e quindi anche gli esseri umani. Uno dei risultati del mio lavoro di tesi è il qbmove, un attuatore a impedenza variabile, caratterizzato dall’essere un sistema estremamente modulare e versatile che può essere assemblato e riconfigurato in diverse soluzioni robotiche. Tale sistema è pensato principalmente come elemento base di una piattaforma robotica da utilizzare come vettore per i successivi sviluppi di questa tecnologia e, soprattutto, per l’individuazione di nuovi scenari d’impiego. Per tali ragioni l’intera piattaforma è pensata e rilasciata con politiche di open licensing a livello software e hardware, sia elettronico che meccanico, favorendo la formazione e l’espansione di una community di utilizzatori, scientifici e non, supportata dalla formazione della Natural Motion Initiative, promossa dall’Università di Pisa e patrocinata dalla Comunità Europea, attraverso il progetto SAPHARI. Proprio per favorire tale tipo di sviluppo è stata fondata una società, la qbrobotics s.r.l., spin-off dell’Università di Pisa e dell’Istituto Italiano di Tecnologia, che si occupa della produzione e commercializzazione, aderendo alle politiche di open licensing sopra descritte.
Le mani robotiche
Concetti e idee similari sono stati da lei applicati in ambiti complementari a quello dell’attuazione, utilizzando alcuni di questi principi nello sviluppo di mani robotiche, quali la Pisa/IIT SoftHand. Può anche in questo caso esporci le principali idee?
Lo sviluppo di mani ha portato alla creazione di sistemi estremamente performanti, tecnologicamente evoluti e dal grande appeal, tuttavia problemi quali la robustezza, la realizzazione e la difficoltà di controllo sono a tutt’oggi alcuni degli argomenti più investigati e sentiti dalla comunità scientifica. La Pisa/IIT SoftHand trae spunto da recentissimi studi neuro-scientifici, che evidenziano come l’uomo, nell’eseguire le normali operazioni quotidiane di presa, adotti una politica di controllo coordinata e cooperativa di tutti i giunti della mano stessa. In altre parole il nostro cervello non cerca di muovere singolarmente ogni articolazione della mano, ma nelle fasi di presa usa alcuni pattern, o sinergie, preordinati e cooperativi di tutte le giunzioni. Uno degli aspetti più interessanti è che, seppur siano presenti più di dicotto pattern preorganizzati la cui combinazione da vita a tutte le possibili movimentazioni della mano, il primo, da solo, basta a spiegare circa il 78% delle prese che un essere umano compie. Supponendo di voler realizzare una mano che compia solo operazioni di presa, non è necessario che si cerchi di attuare ogni singolo giunto della mano in modo indipendente, ma si può pensare di utilizzare un unico sistema di attuazione, quindi un solo motore, per replicare uno, in particolare il primo, di questi pattern preordinati. Sarà, ancora una volta, l’intrinseca intelligenza meccanica introdotta nella mano che permetterà alla sua struttura di adattarsi all’oggetto stesso, esulando quindi l’utilizzatore da innumerevoli problematiche di controllo. A questo approccio di attuazione è stata affiancata la progettazione di un sistema meccanico estremamente robusto e modulare, caratterizzato da un’intrinseca elasticità, che ha portato alla realizzazione di falangi e dita che possono essere completamente disarticolate e possono subire impatti di notevole entità.
Le prospettive future
Quali prevede possano essere le prospettive applicative della sua ricerca per l’ambito industriale?
È diretto il collegamento a scenari futuribili, in cui robot possano cooperare in totale sicurezza con l’uomo, oppure eseguire quelle task pericolose e gravose che, per le loro esigenze di versatilità, precisione e adattabilità, ancora oggi sono risolti solo dall’intervento dell’essere umano. Basti pensare alle normali operazioni in ambienti industriali dove, per motivi di sicurezza, i tradizionali robot rigidi non possono essere impiegati in diretta cooperazione con l’uomo, restringendo il loro campo di applicazione in ambienti circoscritti e ben delimitati. Alcune applicazioni in cui i convenzionali robot non sono applicabili possono essere per esempio sostituite da queste tecnologie per accompagnare gli operatori durante fasi di assemblaggio di componenti pesanti o in postazioni particolarmente articolate e complesse, come per esempio durante il cablaggio di un’autovettura. Concetti simili possono essere applicati alla Pisa/IIT SoftHand, dove l’ampia capacità di presa, unita alla capacità di assorbimento degli urti, possono essere sfruttati in tutte quelle task di manipolazione e presa di oggetti, dalla forma e dalle dimensioni diverse, limitando l’impiego di costosi sistemi di visione e sensorizzazione.
Profilo professionale dell’intervistato
Manuel Giuseppe Catalano (Catania, 1982) è ricercatore presso l’Istituto Italiano di Tecnologia, ha conseguito la Laurea Magistrale in ingegneria Meccanica presso l’Università degli studi di Pisa e successivamente il dottorato in Automazione Robotica e Bioingegneria presso il Centro di Ricerca “E.Piaggio” dell’Università di Pisa, in una partnership con il Dipartimento di Advanced Robotics dell’Istituto Italiano di Tecnologia. Suoi principali argomenti di ricerca sono lo sviluppo di sistemi di attuazione innovativi per robot, Human Robot Interaction, Soft Robotics e sviluppo di sistemi di presa e mani robotiche. Recenti argomenti di ricerca riguardano lo sviluppo di protesi poli-articolate. Autore di numerose pubblicazioni internazionali sulle maggiori riviste e conferenze di settore, è socio fondatore della società qbrobotics s.r.l., spin-off dell’Università di Pisa e dell’Istituto Italiano di Tecnologia, e si occupa dello sviluppo produttivo dei prodotti commercializzati. Collabora attivamente in diversi progetti nazionali e internazionali, tra cui: PHRIENDS, VIACTORS, THE, SAPHARI, WALKMAN, ROBLOG, PACMAN, HANDS.DVI, SOFTHANDS, INAIL-IIT, MAYO CLINIC-IIT, AMDS. Vincitore di diversi riconoscimenti nazionali e internazionali: Georges Giralt PhD Award, Winner; Best Paper Award at the 2012 IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids 2012), Adaptive Synergies for a Humanoid Robot Hand; Best Jubilee Video Award, IROS 2012 Vilamura, Portugal, Variable Impedance Actuators: Moving the Robots of Tomorrow; Robotdalen Innovation Award Competition 2013, terzi classificati; START CUP TOSCANA 2011, menzione speciale; ESA LUNAR ROBOTICS CHALLENGE, secondi classificati 2009.
