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Attilio Sacripanti

Robotica (2007)La Robotica nel Mondo, il Mondo della Robotica

Stato Della Robotica Mondiale

2008ENEA

Università degli Studi di Roma Tor Vergata

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INDICE

Introduzione1. Meccatronica e robotica: definizione………………………………………………..pag.

2 Panoramica ed analisi dei principali ambiti applicativi............………………… pag.

2.1 L’evoluzione della robotica negli ultimi 50 anni.............................................. pag. 2.1.1 Il Giappone2.1.2 La Corea del Sud2.1.3 Gli Stati Uniti2.1.4 L’Europa

2.2 Ambiti applicativi consolidati2.2.1 Industria……………………………………………………………… pag.

2.2.1.1 Automobilistica2.2.1.2 Chimica ,Gomma e Plastica2.2.1.3 Industrie Ingegneristiche ed altre branche industriali

2.2.2 Distribuzione mondiale dei robot industriali...................................... ..pag.

2.2.2.1 previsioni 2006-20092.2.2.2 Giappone2.2.2.3 Corea del Sud2.2.2.4 Stati Uniti2.2.2.5 Europa

2.2.3 Robot di servizio……………………………………………………… pag. 2.2.3.1 Applicazioni personali2.2.3.2 Applicazioni Domestiche2.2.3.3 Domotica2.2.3.4 Applicazioni Professionali

2.2.4 Dati statistici sulla robotica di servizio………………………………

2.3 Settori applicativi emergenti di ricerca e sviluppo 2.3.1 Confronto fra le politiche di ricerca robotica 2.3.2 Settori applicativi emergenti………………………………..…

2.3.2.1 Industria2.3.2.2 Robot di Servizio

2.3.2.2.1 Veicoli 2.3.2.2.2 Robot Spaziali2.3.2.2.3 Robot Umanoidi2.3.2.2.4 Robot personali2.3.2.2.5 Robot medici

2.3.3 Esempi di sviluppi in settori emergenti................................................... pag.2.3.3.1 Giappone2.3.3.2 Corea del Sud2.3.3.3 Stati Uniti2.3.3.4 Europa

2.4 Previsioni di investimento................................................................................. pag.

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3. Stato dell’arte della robotica………………………………………………………...pag.

3.1 Rassegna delle tecnologie…………………………………………………..…pag. 3.1.1 Sensori…………………………………………………………………pag.

3.1.1.1 macrosensori3.1.1.2 microsensori

3.1.2 Attuatori………………………………………………………………. pag. 343.1.2.1 macroattuatori3.1.2.2. microattuatori

3.1.3 Energia…………………………………………………………………pag. 393.1.4 Navigazione e controllo………………………………………………..pag.

3.1.4.1 macronavigazione3.1.4.2 micronavigazione

3.2 Nuove frontiere nella robotica……..………..………………………………...pag. 3.2.1 Robot riconfigurabili…………………………………………………. pag.3.2.2 l’Open Architecture 3.2.3 La robotica evoluzionistica……………………………………………pag. 3.2.4 Intelligenza swarm…………………………………………………….pag. 3.2.5 Micro robot………………………………………………………….pag.

3.2.5.1 Biomeccanica del tatto3.2.5.2 Stato mondiale delle micromanifatture3.2.5.3 MEMS -limitazioni3.2.5.4 Microrobot autonomi-applicazioni e limitazioni

3.2.6 Nano robot………………………………………………………….….pag. 3.2.6.1 Microscopia elettronica3.2.6.2 Microscopia a scansione3.2.6.3 Nanomanipolazioni3.2.6.4 manipolazioni di nanoparticelle e nanotubuli3.2.6.5 Catturatori, giuntori e tagliatori3.2.6.6 Quale potrrebbe essere limite inferiore della nanotecnologia?

4. Il caso ITALIA……………………………………………………………………... pag.

4.1 L’evoluzione della robotica in Italia…………………………………………pag. 4.2 Lo stato della robotica ……….………………………………………………pag.4.3 I centri di ricerca………………………...…………………………………...pag.

4.3.1 Il CNR ITIA di Milano4.3.2 Il polo S.Anna Valdera

4.4 Le realtà industriali e la PMI………………………………………………...pag.4.4.1 Comau Spa4.4.2 Galileo Avionica4.4.3 Il ruolo della PMI nella Robotica

4.4.3.1 Telerobot srl Un esempio Paradigmatico ( Ing Corsini)4.5 Realtà emergenti……………………………………………………………...pag.

4.5.1 il Polo della robotica di Genova 4.5.2 l’associazione robotica Piemontese4.5.3 L’Hi-MEC distretto per l’alta tecnologia dell’Emilia Romagna4.5.4 Lazio La Robocup 2007 la robotica a scuola.

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Appendici

Appendice I Valutazione dei principi fisici per la generazione di forze tattili

Appendice IIEsempio di sistemi tattili industriali

Appendice IIIUna metodologia generale per l’analisi di robot multiagente ( swarm )

Appendice IVAlgoritmi SLAM

Appendice VRobot FANUC ad alta precisione per camera sterile

Appendice VIDARPA Chemical Robots Proposal

Appendice VIIReport aggiornato sullo stato della ricerca robotica in Italia (2007)

Appendice VIIFisica del motore Browniano base dei nanomotori

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Introduzione

Mai Karel Capek , nel 1920, avrebbe potuto immaginare la fortuna della parola “Robota” - lavoro forzato - in ceco, che egli per primo introdusse nella sua commedia RUR in cui descriveva una società futura in tutto dipendente da lavoratori meccanici chiamati “Robots” capaci di eseguire lavori di qualsiasi natura sia fisici che mentali.Da allora la parola robot è entrata prepotentemente nel linguaggio mondiale, prima come mero sinonimo di macchina che può rimpiazzare gli sforzi umani, con timidi inizi nell’epoca industriale.La fine del 19° secolo e l’inizio del 20° videro una rapidissima proliferazione di macchinari industriali per operazioni sempre più complesse, prima queste macchine necessitavano di almeno un lavoratore che posizionava ad esempio sia il pezzo che la macchina, poi successivamente solo la macchina ed infine si giunse a macchine con un certo grado di auto-programmazione ( es,. gli ascensori).Nella seconda metà del 20° secolo con l’avvento prima dell’elettronica e poi della microelettronica e con lo sviluppo dei computer, si è ottenuto un vertiginoso miglioramento in ogni campo di applicazione della robotica , che è divenuta sempre più autonoma ed “intelligente”.Oggi all’inizio del 21à secolo il significato primigenio della parola si è via, via andato ampliando, sino a coprire ambiti certamente, prima impensati.Potremo, con le conoscenze e le potenzialità attuali, definire robot un qualsiasi agente artificiale, sia meccanico, sia virtuale, che è in grado di eseguire una o più operazioni ( intelligenti) da solo. In questa ampia definizione di robot possono rientrare, sia sistemi meccanici veri e propri , sia sistemi software ( cioè robot virtuali che oggi sempre più spesso trovano spazio sulla rete).Anche se sta incorrendo sempre più l’uso di diversificare gli agenti software virtuali, dai robot elettromeccanici con l’utilizzo, per i primi, della denominazione di “ bots”.La pervasività di questi agenti nella moderna società tecnologica e globalizzata, è talmente profonda che si parla genericamente di “Robot”: dai robot di parecchie tonnellate fino ai micro -robot della lunghezza di qualche molecola ed ai nano-robot ancor più piccoli, con applicazioni che vanno dallo spazio, alle miniere, agli abissi oceanici; dall’industria, all’agricoltura, alla microchirurgia. Con un’espansione tale che sono addirittura sorte nuove branche tecnico applicative quali la Domotica, la Meccatronica o la Cibernica.Nel seguito si cercherà di fornire una visione globale, ma compatta di tale pervasività, anche in termini di potenziali mercati, investimenti e profitti, oltre che in termini di ricerca e sviluppo.In quest’ambito si delineerà un’analisi della situazione nazionale, si ricorda per inciso che l’Italia pur con la mancanza di una politica nazionale del settore è, nel mercato e nella produzione della robotica di tipo industriale, classificata tra le prime tre o quattro nazioni al mondo.

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I) Meccatronica e Robotica - Definizione

Sinossi del I CapitoloIn questo primo capitolo introduttivo vengono descritti le aree di applicazione della Meccatronica che può considerarsi il terreno fertile da cui la Robotica, che ne fa parte, si alimenta utilizzando l’avanzamento dei sistemi innovativi che in essa si sviluppano e sono applicati anche ad altre aree applicative.Le sfide parallele che oggi si affacciano verso la meccatronica e che confluiscono nella robotica sono connesse :

a. allo sviluppo ed all’incremento dell’ AI ( Artificial Intelligence ) con cui accrescere le capacità operative dei sistemi meccatronici in generale, e dei robot in particolare.

b. al miglioramento della capacità industriale di miniaturizzare, sia i circuiti , sia i sistemi complessi che possono essere applicati ai sistemi meccatronica in generale o più specificamente ai Robot.

Pertanto la Robotica , forte degli sviluppi d’intelligenza e capacità di miniaturizzazione, che si continuano ad ottenere nei campi a lei afferenti dalla meccatronica, ha finalmente lasciato il mero ambito industriale per integrarsi sempre più nella vita relazionale e sociale degli individui.Bisogna sempre e comunque ricordare che la robotica va vista come “ uno strumento”, e deve esser sempre gestita ed utilizzata in modo da dover produrre o agevolare il benessere sociale o personale degli individui. In tale ambito si ricorda opportunamente che, in Europa, stanno sorgendo i primi tavoli di Roboetica .Per cui il Robot deve esser sempre utilizzato non come potenziale sostitutivo totale degli uomini, né come un possibile mezzo del loro controllo, ma come strumento migliorativo ed utile sostegno all’attività umana.

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1.1 Meccatronica definizione e campi di applicazione

La meccatronica è una nuova branca applicativa sorta come combinazione sinergetica di molte discipline ingegneristiche tra cui :’ingegneria meccanica, elettronica e del software.Lo scopo di questa nuova branca interdisciplinare è lo studio degli automi, ingegneristicamente parlando, approfondendo sempre più l’analisi del controllo avanzato di sistemi ibridi.La parola meccatronica fu coniata nel 1969 da Tetsuro Mori ing. Senior della Yaskawa , essa ha quasi del tutto soppiantato, estendendole o ampliando vecchie definizioni quali ingegneria dei sistemi elettromeccanici ed ingegneria del controllo e dell’automazione. La definizione di meccatronica data da Auslander è : “ l’integrazione sinergetica di sistemi fisici conla tecnologia dell’informazione (IT) ed i sistemi decisionali complessi , nel disegno , nella manifattura e nelle operazioni di prodotti e processi industriali”.Questa definizione evidenzia l’importanza della tecnologia informatica (IT), che mediante i DSPprocessori a segnali digitali, che conservano, processano e trasmettono informazioni anche attraverso internet, anche a software utilizzati ad esempio nei CAD computer aided design, permette di sviluppare sempre più, con l’aiuto dei sistemi decisionali, applicazioni avanzate nell’industria.I sistemi decisionali, da parte loro, includono metodologie come: teoria del feedback, teoria del

controllo, controlli intelligenti, teoria dei sistemi ibridi , ecc.Ambedue questi aspetti : IT e sistemi decisionali complessi, si sono estesi tanto vertiginosamente in questi ultimi anni, sia nel campo delle conoscenze di base, sia nell’ area delle applicazioni; che la meccatronica stessa ha allargato il dominio delle sue applicazioni. Infatti l’enorme avanzamento della telematica, da internet alle connessioni wireless, ha portato all’allargamento delle applicazioni meccatroniche che sono passate da strumenti singoli a sistemi distribuiti.La meccatronica, vista come nuova disciplina, può apparire un prodotto meramente interdisciplinare, ma forse, questa classificazione appare in effetti riduttiva.Noi , infatti, siamo circondati da prodotti meccatronici, tanto che si può ricordare che Masten nel 1998 sottolineava alla NSF National Science Foundation , circa il trend nell’industria, questi punti in forma di apologo:

a. La conoscenza è il reb. L’innovazione è essenzialec. Il costo: ciò che è nuovo oggi, diventa una comodità domani.d. I prodotti divengono più complessi ed i sistemi sono basati su alte performancee. Cicli brevi sono sempre più comunif. I mercati divengono sempre più globali e competitivig. Il design diviene sempre più importante

La meccatronica dunque, appare il mezzo migliore per affrontare questo sfida globale.L’ingegneria cibernetica è focalizzata sul controllo ingegneristico dei sistemi meccatronica, che, grazie ad un adeguato grado di collaborazione, formano moduli flessibili ed agili che si inseriscono con le loro capacità manifatturiere nelle linee di produzione industriale avanzate.La produzione di apparecchiature ed equipaggiamenti moderni consiste, in moduli meccatronici, che vengono integrati in accordo all’architettura del controllo.Le architetture di controllo più utilizzate in meccatronica industriale avanzata, sono dei tipi: gerarchico, poliarchico, terarchico ed ibrido, questi tipi di controllo sono sempre gestiti da algoritmi opportuni che possono o meno utilizzare metodi formali nella loro costituzione e tra essi i sistemi ibridi divengono, di giorno in giorno, più importanti e comuni nella nostra vita quotidiana.Tra essi si annoverano ad esempio: sistemi autofocus, video, telefonini di terza e quarta generazione, ecc.

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I campi di applicazioneDella pervasività di tale nuova branca dell’ingegneria ci si può render conto considerando l’elenco dei campi di applicazione ad essa afferenti.

Scienze Applicate Intelligenza artificiale, ingegneria ceramica, tecnologia computazionale, elettronica, energia , conservazione dell’energia, ingegneria fisica, tecnologie ambientali, scienza dei materiali, microtecnologia, nanotecnologie, tecnologie nucleari, ingegneria ottica, computazione quantistica.

Sport Equipaggiamenti per campeggio, sport , scarpe ed attrezzature sportive.Informazione e comunicazione

Comunicazione, grafica, tecnologie musicali, riconoscimento vocale, fotocamere, scanner, stampanti, tecnologia visuale

Industria Costruzioni, ingegneria finanziaria, manifatturiero, minerario, macchinariMilitare e Peace Keeping

Bombe, armi e munizioni, tecnologie militari ed equipaggiamenti, ingegneria navale

Domestico Applicazioni domestiche, tecnologie domestiche, alimentare, tecnologia educativaIngegneristico Aerospaziale, agricola, architetturale , bioingegneria, biochimica, biomedica,

chimica, civile, dei computer, costruttiva, elettrica, elettronica, ambientale, industriale, dei materiali, meccanica, meccatronica, nucleare, petrolifera , del software, strutturale, dei tessuti.

Salute e sicurezza Ingegneria biomedica, bioinformatica, biotecnologie,chemioinformatica, tecnologie antincendio, tecnologie sanitarie, farmaceutiche, ingegneria della sicurezza .

Security Antiterrorismo, ingegneria della security, sistemi complessi antintrusione , Trasporti Aerospazio, marino, terrestre, logistica, intermodalità,

Tab.1 Campi di applicazione della meccatronica

Dalla robotica tradizionale alla robotica meccatronica, la sfida si è incentrata sempre più sul rendere intelligenti i robot, che senza tema di smentite derivano dalla più antica automazione avanzata di macchine che svolgevano compiti ripetitivi.Generalmente l’industria ( specialmente quella automobilistica) a causa dei compiti ripetitivi ha sempre utilizzato robot in cui i pattern di movimento fossero pre-programmati ed inseriti prima dell’utilizzo.Con la crescita della potenza di calcolo i moderni robot pre-programmati hanno maggiore destrezza e flessibilità dei primi e sono anche capaci di effettuare operazioni più complesse come:

Confezionamento ed impacchettamento nell’industria alimentare. Operazioni chirurgiche. Guida autonoma di veicoli da carico in magazzini non strutturati Mungitura .

In termini generali, un sistema intelligente deve interagire verso diversi ambienti, mediante una struttura ben definita di azioni fondamentali, che sono state ben codificate negli studi di AI Artificial Intelligence e che per comodità vengono mostrate nella figura successiva ( Fig. 1)

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Sistema Intelligente

Fig1 sistema meccatronico intelligente

Un sistema intelligente, dunque in generale è capace di migliorare il proprio ambiente circostante sulla base delle sette funzioni fondamentali, note agli studiosi di AI e di seguito indicate :

1. abilità sensoria2. abilità percettiva3. abilità ad acquisire conoscenza4. abilità di comprensione5. abilità di inferenza6. abilità decisionali7. abilità di azione

Allo stato attuale delle conoscenze sui sistemi intelligenti, la robotica può considerarsi compresa nella meccatronica, ma la differenza non è tanto chiara e di fatto dipende dalla definizione di robot.Fino a pochi anni fa si sarebbe potuto affermare che le macchine robotiche erano più autonome e meccaniche delle macchine meccatroniche, che nel loro ambito comprendevano anche macchine non considerate autonome come scanner, fotocopiatrici o macchine digitali.Ma allo stato attuale della tecnologia e con i progressi della microelettronica, i controlli autonomi sono stati realizzati a tutti i livelli e tutte le macchine hanno la potenzialità di acquisire flessibilità ed autonomia . La robotica oggi, a pieno titolo, occupa un posto preminente nella meccatronica moderna.

Attuatore Sensore

Decisore

Percezione

Conoscenza

Ambiente EsternoDeterministico, dinamico, continuo, non lineare ,caotico…

Acquisizione

comprensione

inferenza

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Un passo importante, che è stato fatto dall’industria in questi anni recenti è quello della miniaturizzazione nella figura successiva ( fig.2), ad esempio, viene mostrato l’incremento del mercato mondiale, in questo ambito nel periodo 2000-2005 discriminando tra prodotti “maturi” ed “emergenti”.

Fig 2 Andamento del mercato mondiale dei microsistemi classici ed avanzati (2006)

Bisogna però sottolineare che la performance avanzata dei sistemi meccatronici non dipende solo dall’aver miniaturizzato le parti, ma anche dagli effetti della miniaturizzazione che di per se stessi influiscono sul sistema.Infatti quando vengono considerati sistemi micromeccatronici gli effetti di scala risultano importanti sia per il design che per il controllo di questi sistemi. In effetti quando un oggetto viene miniaturizzato i fenomeni fisici possono variare di importanza, da quelli del nostro macromondo: ad esempio a livelli microscopici le forze viscose e di attrito risultano molto più importanti delle forze d’inerzia.Ciò significa che gli effetti scala richiedo un approccio diverso fra micro e macro meccatronica.Quindi nella meccatronica è possibile trovare tutti e tre gli aspetti della robotica:

a. quello convenzionaleb. quello micro c. quello nano

passando così dal mondo macroscopico convenzionale via, via alle aree sempre più attinenti alla sfera delle ricerche avanzate.Il futuro della robotica comunque si gioca su vari piani: sensoristica, comunicazioni, attuatori, ed in fine , ma non ultima l’Intelligenza artificiale AI, che in questi anni ha subito un incremento vertiginoso connesso con la crescita esponenziale della potenza di calcolo disponibile.Pertanto i robot, con l’andar del tempo, divengono più “intelligenti” ed anche più complessi e ma stupefacentemente: più complesso diviene il robot, più difficoltoso appare ottenere un disegno sicuro per l’uomo.Pertanto sono partiti i primi tentativi di stabilire criteri di sicurezza per i robot a salvaguardia degli addetti ai lavori con i robot.Interessante è che nello stesso mese marzo 2006 in US si è avuta la prima conferenza su interazione uomo –robot ed in Europa EURON European Robotic Network ha avuto un meeting

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per gettare le basi di nuove misure operative, onde evitare che i robot possano essere involontariamente nocivi per l’uomo.In una visione riassuntiva preliminare possiamo affermare che mentre i robot industriali segnano un po’ il passo verso un’evoluzione connessa con l’AI Artificial Intelligence, i centri di ricerca si stanno specializzando sempre più verso il mondo dei micro e nano robot.Nel prossimo capitolo partiamo con una disamina della situazione della robotica convenzionale, attraverso la panoramica dei principali ambiti applicativi sia industriali che di servizio.Per poi infine trattare delle strategie di ricerca avanzata e dei settori applicativi che si stanno sviluppando nell’ambito dei robot di servizio.

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II) Panoramica ed analisi dei principali ambiti applicativi.

Sinossi del II capitoloIn questo secondo capitolo, vengono trattati i principali campi applicativi della robotica , diremo, convenzionale e di mercato.Ora poiché i primi passi della robotica sono stati mossi all’interno del mondo industriale, si fornisce la definizione ISO 8373 che nell’ambito industriale definisce bene i robot, i loro limiti e le loro potenziali capacità operative. Essa infatti recita : dicesi robot industriale un manipolatore, automaticamente controllato , riprogrammabile, multiuso, programmabile in tre o più assi, che fisso, o mobile sia usato in applicazioni di automazione industriale.Il concetto di robot appare legato strettamente alla sua definizione e permette attraverso essa, di classificare, nell’ambito della robotica industriale, le aree applicative; mentre i robot industriali stessi risultano classificabili, in funzione della loro tipologia meccanica.L’industria con ingenti applicazioni ingegneristiche ( cioè industria automobilistica, prodotti metallici, macchinari, equipaggiamenti ottici, elettrici e dei trasporti ) è la più grande utilizzatrice di robot nelle nazioni avanzate.Infatti tra il 64% ed il 77% di tutti i robot industriali di queste aree altamente industrializzate vengono utilizzati in essa.Segue una disanima degli sviluppi applicativi industriali classici nel mondo ed una rassegna di quelli maggiormente sviluppati nella nostra nazione, in modo da poter avere una base di confronto, quando si analizzerà la situazione nazionale al capitolo IV.Si passa poi a definire la robotica detta di servizio che rappresenta la nuova sponda di penetrazione industriale.Secondo la definizione ISO “ancora provvisoria” si definisce Robot di servizio: “un robot che opera in modo semi o totalmente automatico, per effettuare servizi utili al benessere dell’umanità o di altri sistemi che siano mobili e/o manipolativi, che non possiede le capacità di fabbricare manufatti.Ovviamente in questa definizione non sono compresi i robot militari di sicurezza e d’intrattenimento, che pur rappresentano una notevole fetta del fatturato globale della robotica mondiale.Di questi tratteremo, date le loro caratteristiche molto avanzate, includendoli nell’ambito del paragrafo terzo cioè dei robot avanzati definiti per comodità “di ricerca”.In quest’ottica, in questo capitolo si è effettuata una rapida disanima dei campi di applicazione dei robot di servizio, definendo al contempo una branca collaterale di sovrapposizione con altri sistemi la Domotica che si sta sviluppando come mercato d’interesse, in questi ultimi tempi, nei paesi industrializzati, ad alto tenore di vita.

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2.1 L’evoluzione della robotica nel mondo negli ultimi 50 anni

Durante gli ultimi 45 anni, nell’ambito dei paesi avanzati, la robotica ha avuto uno sviluppo vertiginoso,ma si è contemporaneamente anche sviluppato un nuovo modo di considerare la robotica stessa.La robotica industriale è stata sviluppata per aiutare le industrie ad aumentare il loro profitto ed in ciò la robotica ha avuto certamente successo.Le ricerche di base in quest’ambito, condotte spesso all’inizio dalle università, erano connesse direttamente allo sviluppo di robot pratici, che fossero capaci di svolgere, in modo opportuno, i compiti manifatturieri necessari; fino al momento che la messa a punto e progettazione di robot è, di fatto,diventata una branca industriale.In questo ambito e con applicazioni spessissimo riguardanti l’industria automobilistica, fin dai primi approcci, i sistemi robotici sono stati progettati anche con lo scopo di aiutare l’uomo nei lavori pericolosi e pedissequamente ripetitivi.Così nel corso degli anni, come già ricordato, man mano che sono aumentate le difficoltà dei compiti richiesti, si è avuto il necessario sviluppo delle capacità adattive e di AI dei robot.La tecnologia industriale ha raggiunto il suo plateau intorno agli anni 90 e può quindi oggi ritenersi la parte matura dell’intera tecnologia robotica.Intorno agli anni 95 la ricerca robotica si è indirizzata sempre più alla volta di qualcosa di nuovo e completamente differente: il mondo dei servizi e dell’ambiente esterno.Si sono così visti i primi robot medicali ed oggi addirittura si vedono i primi robot nel campo della riabilitazioneI robot di servizio, nelle società post industriali, sono volti al servizio specifico dell’uomo ed ai problemi connessi con il suo invecchiamento.L’UNECE United Nation Economic Commission for Europe prevede negli anni 2005-2008 una forte crescita di robot applicati ai servizi , sistemi sottomarini, piattaforme mobili di vari usi applicativi e persino di robot umanoidi.D’altro canto università e centri di ricerca si sono anche indirizzati verso lo sviluppo di robot personali, con l’apertura di un nuovo campo di ricerca : quello cioè dell’interazione uomo-robot.La robotica e l’uso dei robot s’incrementa, man mano che i paesi raggiungono un determinato stato di conoscenza tecnologica, di industrializzazione e di benessere diffuso.La robotica mondiale , come accennato precedentemente, dopo lo steady state raggiunto dalla robotica industriale, ha volto i suoi interessi verso lo sviluppo della robotica di servizio.Di fatto, nell’ultima decade le attività mondiali hanno mostrato che la maggior parte degli sforzi mondiali era traslata dalla ricerca sui manipolatori industriali, a quella ad esempio dei manipolatori in ambienti non strutturati, o verso sistemi mobili con ruote, gambe, o atti a volare fino a quella dei robot umanoidi. Nel diagramma che segue è mostrata l’evoluzione degli scopi della robotica a livello mondiale. Partendo dall’anno di nascita ufficiale circa il 1960 fino ai tempi nostri.

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Diag.1 Evoluzione della robotica mondiale negli ultimi 50 anni (IEEE 2007)

Nel mondo il leader mondiale della robotica è di certo il Giappone, segue forse la Corea del Sud , ma anche America ed Europa si contendono le prime tre piazze con alterne vicende.Di seguito tracciamo brevemente lo stato della situazione delle più forti presenze a livello mondiale.

2.1.1 Il GiapponeSebbene l’economia giapponese abbia registrato negli anni passati uno stop drastico, in questi ultimi anni, sembra non solo migliorare continuamente, ma anche che abbia definitivamente superato la fase di crisi.Il governo ha fornito sostanziosi aiuti per sostenere lo sviluppo delle tecnologie robotiche ed in generale delle attività industriali.La ricerca in robotica è stata sostenuta principalmente dal MEXT ( ministero della educazione, cultura,sport e tecnologia) dal METI ( ministero dell’economia e dell’industria) e persino dal ministero dell’interno, poste e telecomunicazioni.In Giappone la ricerca robotica è molto attiva in tutti i campi, specialmente nel campo dei robot umanoidi ed in quello dell’integrazione uomo robot.Tra i target di interesse vi sono i robot open architecture e i cyborg.L’industria invece è molto attiva nello sviluppare robot industriali avanzati e sempre più autonomi, mediante l’ AI e mediante sensori avanzati.Al fine di sviluppare un mercato già avanzato verso l’area non industriale, si sviluppano ogni anno nuove tendenze attraverso un notevole sforzo di cooperazione scientifico-tecnica.Il governo dal canto suo è attivo nel promuovere e finanziare diversi programmi nazionali con lo scopo dichiarato di sviluppare sempre di più non solo la robotica, ma anche l’attività industriale connessa ed indotta.Anche l’industria è attiva nel campo della robotica di servizio , ma il mercato non appare ancora completamente ricettivo, mentre al contempo si aprono nuove linee di ricerca indirizzandosi verso la security.Sony sta continuando a migliorare la linea AIBO, pur vendendola solo via internet .

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L’AIST Artificial Intelligence System institute sta progettando PARO un robot che è capace di effettuare terapie di tipo mentale , in modo da evitare cavie animali usate fin o ad ora per la sperimentazione.Nel campo medico i robot chirurgici continuano ad attrarre l’interesse sia industriale che accademico.Il ministero delle poste ha lanciato un progetto intitolato network robotica , basato per altro su tecnologie computeristiche e delle telecomunicazioni.Infine il METI ha lanciato ben due progetti per lo sviluppo di robot di servizio pratici, da usarsi nell’ambiente umano.Appare però importante sviluppare due considerazioni :la prima, sul numero dei ricercatori in Giappone, nei confronti ad esempio di Francia e Germania, la seconda, sulla qualità di queste forze attive come specializzazione e livello di studio nei confronti di quelli degli altri paesi.Nelle prossime due figure vengono mostrati proprio questi dati e da essi si evince ad esempio che il Giappone da solo può mettere in campo il doppio circa dei ricercatori di Francia e Germania, ma che la maggior parte delle forze attive nell’industria robotica giapponese sono, in percentuale, di qualifica inferiore a quelle ad esempio degli US e della Germania.

Fig3 Numero dei ricercatori Giapponesi Francesi e T\edeschi (Eurotechnology 2000)

Fig 4 Titolo di studio dei ricercatori giapponesi nei confronti di US e Germania (Eurotechnology 1990)

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2.1.2 La Corea del SudIn Corea del Sud le ricerche robotiche sono stimolate da massicci investimenti governativi di tre ministeri MIC, MOCIE, e MOST, rispettivamente Ministero dell’informazione e comunicazione, Ministero del commercio, industria ed energia, Ministero della scienza e tecnologia, che si sviluppano in dieci piani speciali delle industrie.I vari piani prevedono lo sviluppo di robot manifatturieri industriali avanzati e di robot di servizio casalingo richiesti dal MOCIE, e trasporti intelligenti basati su robot di servizio intelligenti richiesti dal MIC.A questi si deve aggiungere il progetto di robot intelligente di supporto alla vita quotidiana dell’uomo, voluto e sostenuto dal MOST.Allo stato attuale, in Corea si stanno sviluppando simultaneamente. più di nove grandi progetti nazionali ed a questi devono aggiungersi diversi altri , di dimensioni inferiori sostenuti dalle singole industrie o da loro consorzi anche con la presenza di varie università.In Corea è stata creata la Società accademica per l’ingegneria robotica che ha acquisito un ruolo centralissimo nella comunità robotica coreana.L’accademia ha, tra l’altro, il compito di stimolare la disseminazione della conoscenza robotica presso altre istituzioni ed anche quello di organizzare competizioni robotiche che hanno lo scopo di creare e stimolare un mercato ad esempio per i giocattoli ed altri tipi di robot a livello locale.Alcune ricerche governative hanno già preso la strada dell’industrializzazione, come la “pillola endoscopica” , o anche come alcuni tipi di veicoli mobili da campo, che sono stati utilizzati nelle loro forze armate.L’ associazione coreana di robotica comprende più di 65 membri fra industrie e società commerciali ed ha come scopo lo sviluppo del mercato interno dei robot e la condivisione nazionale delle tecnologie.Essa è attiva nel promuovere ricerche di robot di servizio, presso le università ed altre istituzioni.Il mercato coreano dei robot di servizio è incentrato sui giocattoli , nelle competizioni e nel campo educativo.

2.1.3 Gli Stati UnitiLa ricerca robotica negli US si sviluppa su molti fronti contemporaneamente.Essa è normalmente sviluppata sia nei centri accademici, sia in quelli governativi, sia nei settori privati, allo stesso modo i fondi hanno origine diversa, sia governativa, sia dai settori privati industriali o fondazioni.I fondi di ricerca nel campo civile anche se hanno continuato la loro crescita lo hanno fatto, in questi ultimi anni, ad un ritmo più blando.Questa tendenza economica sembrerebbe anche esser confermata per i prossimi anni , per cui si prevede una diminuzione degli interventi governativi con aumento delle spese di amministrazione corrente. Come esempio per tutti basti pensare che, secondo una legge del parlamento centrale del 2003, i fondi della NSF National Science Foundation sarebbero dovuti raddoppiare entro cinque anni, ma il ritmo dei finanziamenti erogati alla NFS non permetteranno, invece, di raddoppiare il suo budget di ricerca nel 2008 come era stato previsto da quella apposita legge.Le priorità nazionali americane si sono volte verso le nanotecnologie, l’ambiente e le tecnologie dell’informazione.Le ricerche militari del DARPA Defense Advanced Research Program Agency e di altre agenzie governative, analoghe hanno ricevuto un incremento ed in tale ambito sembrano trovare spazio molte nuove ricerche robotiche con specifici fini applicativi, che possono poi essere facilmente esportati alla security..Un altro campo in via di sviluppo è direttamente connesso alle tecnologie corredate alla robotica come ad esempio l’area di nuovi sensori, ed attuatori, appare dunque logico pensare che tali sviluppi potranno avere benefici effetti anche sul miglioramento della sensibilità e flessibilità d’uso dei nuovi robot. Ulteriori campi specifici di sviluppo della robotica americana paiono essere quelli dei robot medici e medicali, e del soccorso e della sicurezza.

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2.1.4 L’EuropaL’Unione Europea allo stato attuale della situazione mondiale rappresenta una interessante situazione in pieno e completo sviluppo sia come mercato che come ricerca.Di fatto nella nuova Unione a 25 , si sono aperte nuove potenzialità di mercato interno e quindi di espansione del benessere globale della robotica .Infatti non dimenticando che gli US sono di fatto un unione formata da 54 entità statali , così l’Europa vista nel suo insieme appare saldamente al secondo posto dopo il Giappone nella graduatoria mondiale delle potenze robotiche.Al suo interno comunque vi sono situazioni di luci ed ombre comunque nel periodo 1999-2002 l’ISTInformation Society Technologies ha finanziato circa 50 progetti di ricerca, questi progetti sono serviti di fatto a rafforzare il Know how scientifico e la base industriale e tecnologica della Robotica Europea.Uno degli scopi è stato quello di incrementare l’integrazione tra i paesi dell’unione, altro scopo era quello di incoraggiare l’industria ad innovare per accrescere la competitività generale.Tra questi 50 progetti si possono trovare sia progetti di tipo generalistico basati sulle aree ben note :MMI ( man machine interface )Multi-sensory perceptionNavigation systemsReal time embedded system platformsAdvanced control methodsMicro and nano robotics.Sia progetti connessi con prototipi avanzati e con il loro utilizzo nelle applicazioni in campo, come:Risk managementHealt monitoringHumanitarian deminingServing and tourism guidesHelping for persons with special needs.Sono state lanciati anche due progetti a lunghissimo termine connessi a due aree di ricerca molto avanzate e di non sicura soluzione come: la neuro-informatica e sistemi a percezione tipo biologico-vivente.Ma la cosa più importante in questi ultimi anni sono stati il lancio di EURON European RoboticNetwork ed EUROP European Robotic Platform che cercano di congiungere i programmi industriali ed universitari al fine di permettere alla potenzialità europea di esprimersi a piena nella competizione globale della robotica.

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2.2 Ambiti Applicativi consolidati

2.2.1 Industria

Fin dalla loro introduzione negli anni 60 i robot industriali hanno sottolineato un’impressionante evoluzione tecnologica.I robot hanno sostenuto l’incremento della produttività e la qualità dei manufatti prodotti. Nel 2003 v’erano nel mondo 800000 robot industriali, per un mercato di 4 miliardi di euro, di cui si prevede un incremento del 7% nei prossimi anni.Le classificazioni dei robot industriali possono essere molteplici, oltre a quella di Manipolatore multiuso, definita nell’ISO 8373, che cita testualmente: un manipolatore, automaticamente controllato , riprogrammabile, multiuso, programmabile in tre o più assi, che fisso, o mobile sia usato in applicazioni di automazione industriale.Si possono classificare globalmente i robot industriali sia per aree industriali di utilizzo , sia per aree applicative, sia per tipologia industriale ( Tab.2; 3; 4).

1 Agricoltura,foreste, caccia, pesca2 Miniere,scavi3 Manifatture cibi ,bevande, + tabacco4 Manifatture tessili, pelle, pellicce5 Manifattura dei legnami e mobilio6 Manifattura carbone, nucleare e prodotti di raffinazione del petrolio, prodotti chimici7 Manifattura gomma e plastiche ( senza prodotti per veicoli)8 Manifattura di altri prodotti minerali non metallici9 Manifattura di metalli di base10 Manifattura prodotti metallici e mobili ( senza macchinari ed equipaggiamenti)11 Manifattura di macchinari ed equipaggiamenti sia generali che speciali12 Manifattura di applicazioni domestiche13 Manifattura di calcolatrici e macchine da ufficio14 Manifattura di macchinari ed apparati elettrici15 Manifattura di valvole,tubi e componenti elettronici16 Manifattura di semiconduttori ed LCD17 Manifattura di radio,televisioni ed apparecchi di telecomunicazione18 Manifattura di strumenti medici, ottici e di precisione, ed orologeria19 Manifattura di motoveicoli20 Manifattura di parti ed accessori dei veicoli, carrozze,rimorchi e semi-rimorchi21 Manifattura di altri equipaggiamenti veicolari22 Elettricità ed approvvigionamento gas ed acqua 23 Costruzioni 24 Ricerca e sviluppo 25 Educazione Tab 2 classificazione ISIC ( rev.3) dei robots per settori industriali di applicazione

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Tab. 3 classificazione IFR dei robot per aree di applicazione industriale.

1 Non specificati

1 tutti i manipolatori con capacità non specifiche2 Manipolazione e controllo

1 manipolatori per metalli,fusione e trattamenti termici2 manipolatori e formatori di materiali plastici3 manipolatori per stampa, forgia e curvatura4 manipolatori di macchinari ( carico e scarico)5 macchine di controllo per altri processi ( manipolatori per assemblaggio)6 manipolatori per misure, ispezioni e prove fisiche7 manipolatori per operazioni di pallettizzazione8 manipolatori per imballaggio, deposizione e cernita9 manipolatori non precedentemente classificati

3 Saldatura e brasatura di tutti i materiali

1 saldatura ad arco2 saldatura a punti3 saldatura laser4 altri tipi di saldatura ( a gas, ultrasonica, plasma)5 brasatura

4 Dispensatori

1 pittori e smaltatori2 applicatori di adesivi , materiali sigillanti e simili3 altri dispensatori / Spruzzatori

5 Lavorazioni

1 tagliature laser2 tagliature a getto d’acqua3 tagliature meccaniche, molitura,affilatura, politura4 altre lavorazioni

6 Montaggio e smontaggio

1 fissaggio, pressatura collegamento2 assemblaggio, inserzione, montaggio e taglio3 smontaggio4 altri montaggi

7 Altre aree di applicazione

1 tutte le altre aree di applicazione

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1 Robot lineari ( inclusi i cartesiani ed i trasferitori)

2 Robot SCARA (Selective Compliance Assembly Arm)

3 Robot articolati

4 Robot paralleli

5 Robot cilindrici

6 Altri Robot

7 Robot non classificabili

Tab. 4 classificazione dei robot per tipologia meccanica*

La vastità di queste classificazioni da conto della complessità di ordinare e descrivere in modo compatto l’utilizzo o le applicazioni dei robot nel mondo dell’industria.Comunque come costante di prima approssimazione, per questa tipo di robot, possiamo individuare il fatto che l’automazione di massa industriale si sviluppa principalmente sostituendo uomini su linee in cui i compiti sono ben definiti e ripetitivi e pertanto possono ben essere sostituiti da robot “relativamente semplici ”.Oggi anche i robot industriali si accrescono in complessità e flessibilità con l’aiuto dell’intelligenza artificiale, per cui il limite della semplicità d’uso e d’applicazione, diviene sempre più evanescente, anche perché la stessa industria richiede sempre più una maggiore flessibilità d’uso e facilità di ri-programmazione per i suoi robot.Nelle nazioni avanzate l’industria con applicazioni ingegneristiche ( prodotti metallici, macchinari, equipaggiamenti ottici, elettrici e dei trasporti ) è la più grande utilizzatrice di robot:tra il 64% ed il 77% di tutti i robot di queste nazioni vengono utilizzati in essa.Sarà di seguito svolta una panoramica dei principali ambiti applicativi che maggiormente interessano statistica,mente l’industria dei paesi avanzati. .

2.2.1.1 Automobilistica

L’industria automobilistica è il principale esempio di massiva applicazione industriale dei robot con compiti sia semplici che complessi . in essa i robot sono usati ad esempio per l’assemblaggio, la saldatura o la pittura delle auto, lungo catene di montaggio e trasferimento praticamente totalmente automatizzate. Il massiccio uso di robot nell’industria automobilistica è dovuto al fatto che i compiti da svolgere possono essere accuratamente definiti, con trascurabili necessità di feedback per controllare l’esattezza del processo svolto.

*La struttura meccanica dei robot è basata sulle seguenti definizioni:Robot Cartesiano : robot i cui bracci hanno tre giunture prismatiche ed i cui assi sono coincidenti con le coordinate di un sistema cartesiano.SCARA: robot i cui bracci hanno due giunture parallele rotanti per prevedere conformità in un pianoRobot Articolati : robot i cui bracci hanno almeno tre giunture rotantiRobot paralleli: robot i cui bracci hanno giunture prismatiche o rotantiRobot Cilindrici : robot i cui assi formano un sistema di coordinate cilindriche

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Proprio per questa particolarità di standardizzazione dei compiti l’industria automobilistica ha interessato circa il 60% di tutte le vendite di robot in questi anniInfatti l’industria automilistica ha avuto la necessità di introdurre i robot per due ragioni , per diminuiredrasticamente i costi e le possibili rivendicazioni salariali.Nella tabella 4 viene mostrata l’origine dei robot nell’industria automobilistica mondiale e la forte competizione industriale che avviene e gli investimenti previsti entro il 2010L’industria automobilistica a livello quantitativo detiene dal 4% (Giappone) fino all’11% (Italia ed Inghilterra) di tutti i robot nazionali.

Tab5 origine dei robot industriali e previsione d’investimento ( EURON 2005).

2.2.1.2 Chimica, gomma e plastiche

In secondo posto si possono prendere in considerazione le applicazioni dei robot nell’industria chimica, della gomma ( pneumatici come applicazione maggiore ) , e quelli dell’applicazione delle plastiche e polimeri come formatori e montaggio ( spesso di parti ed accessori automobilistici ) Anche in questo caso si è in presenza di processi di manifattura montaggio e produzione che possono essere accuratamente definiti, con trascurabili necessità di feedback per controllare l’esattezza del processo svolto, ma con un maggior grado di controllo per le operazioni produttive

.2.2.1.3 Industrie ingegneristiche ed Altre branche industriali

Le industrie ingegneristiche di applicazioni metalliche con quelle delle saldatura rappresentano la terza grande area di applicazione industriale per la robotica.In questo caso i processi sono selettivi ma ancora di tipo semi rigidoPertanto è in crescita l’uso dei robot nell’industria aerospaziale, o nel campo del disassenblaggio di veicoli, aeroplani, frigoriferi, lavatrici, ed altri beni di consumo.Anche l’industria alimentare fa sempre più uso dei robot, insieme a quella delle costruzioni.Un altro campo industriale importante è quello delle industrie elettroniche che sono molto avanzate nell’utilizzo dei robot, a causa dei testing automatici, della garanzia di qualità del controllo , e della consistente modularizzazione raggiunta nei prodotti e nei sistemi.

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Mentre negli ultimi anni a garanzia di una qualità anche igienica si stanno espandendo i robot nell’industria alimentare.Nella tabella 6 ripresa dal doc 14-1 Withe paper “Industrial Robot Automation” di EURON 2005 vengono mostrati gli stock stimati di robot in Europa e Giappone

Tab 6 stock stimati Europa- Giappone (EURON 2005)

Nella figura ( fig 3 a,b) vengono mostrati due robot industriali uno finalizzato ad applicazioni nel campo automobilistico ed il secondo nell’industria alimentare.

Fig 3 a,b Robot industriali (a industria motociclistica, b industria alimentare )

Nella figura successiva presa da world robotica 2006, vengono mostrati i robot industriali classificati per struttura meccanica con i relativi assi di movimento, ed un esempio di volume spaziale coperto dalla loro attività., fig.4.Nel paragrafo successivo saranno introdotti i robot detti di servizio, ovvero tutti quei robot che non appartengono al campo manifatturiero/industriale.

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Fig 4 classificazione robot industriali ( W.R 2006 )

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2.2.2 Distribuzione mondiale dei robot industriali

Accordandosi con la RIA Robotics Industrial Association i robot industriali nel mondo di fatto provengono nella maggior percentuale dal Giappone e dall’Europa.Nella figura successiva vengono mostrati il numero di robot industriali per lavoratori nelle varie nazioni avanzate ( escluse Giappone e Corea) .

Fig.5 numero di robot industriali per ogni 10000 lavoratori.(WTEC 2006)

Dai dati forniti dal World Robotics 2006 si ricava che, al 2005, in Giappone e Corea ove raccolgono i dati di tutti i tipi di robot e pertanto non sono paragonabili a quelli delle altre nazioni, la densità di robot è comunque la più alta del mondo.rispettivamente con 352 e 173 robot operativi per ogni 10000 lavoratori dell’industria manifatturiera.Con 171 robot per ogni 10000 lavoratori dell’industria manifatturiera la Germania è la nazione con la più alta densità in Europa, seguita dall’ Italia con 130 e dalla Svezia con 117.Seguono staccate la Finlandia con 99 e gli USA con 90 , la Spagna con 89 e la Francia con 84.Le altre nazioni come Austria, Benelux, Danimarca , Svizzera , Inghilterra, si attestano su densità comprese fra i 67 ed i 44 robot ogni 10000 addetti all’industria manifatturiera.Infine possono seguono la Norvegia con 29 ed il Portogallo con 17 , mentre gli altri paesi dell’UE sono al disotto di queste cifre.Nonostante che le densità in UE siano molto diversificate , appare interessante notare che la densità di robot industriali in Germania è circa del 90% più alta di quella che si riscontra negli USA.A livello mondiale il trend di vendita dei robot industriali si attesta intorno ad un incremento annuale del 4% , con il migliorare delle tecnologie, di pari passo migliorano le prestazioni dei robot e contemporaneamente si abbassa il loro costo relativo.Nella figura successiva viene mostrato l’andamento mondiale di questo trend.

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Fig 6 andamento dei prezzi /prestazioni dei robot ( Euron 2005)

Nella figura successiva viene mostrato indice annuale di ordini per robot industriali per regione del globo

Fig 7 indice annuale degli ordini per i robot industriali (WTEC 2006)

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2.2.2.1 Previsioni 2006-2009Il mercato mondiale della robotica industriale si prevede che avrà una flessione da 126700 unità nel 2005 a 110600 nel 2006 mentre dal 2007 si prevede un incremento annuale di circa il 5,6% fino a 130150 nel 2009.La domanda dall’industria dell’automobile sono piombate giù nel 2006 in America, Giappone e Corea a causa degli elevati investimenti effettuati in questi paesi nel 2005, anche nell’ UE gli investimenti hanno subito una decelerazione nel 2004 2 nel 2005 si prevede anche un leggero decremento nel 2006 che dovrebbe essere compensato da investimenti nei mercati emergenti.In termini di unità, si stima che a livello mondiale lo stock di robot industriali crescerà da circa 922900 unità alla fine del 2005 a 1112500 al termine del 2009 con una crescita annuale di circa il 4,9%.Nel 2005 più di 76000 robot sono stati venduti in Asia ( considerando per Asia specificamente anche Australia e Nuova Zelanda ) circa il 45% in più del 2004 , come risultato di elevatissimi investimenti nell’industria dell’automobile e nell’industria elettrico /elettronica.La crescita delle applicazioni robotiche, in questo ultimo tipo d’industria è stata influenzata dallo sforzo effettuato,sia dall’industria robotica stessa, sia dal suo indotto.Sforzo teso ad ottenere e fornire un miglioramento della qualità dei robot industriali.Nella tabella successiva (tab 7 ) viene mostrata la stima annuale dell’istallazione dei robot nei vari paesi.

Tab. 7 stima annuale dell’istallazione di robot industriali (WR2006)

Mentre nelle due tabelle seguenti sono mostrati rispettivamente per i mercati Giapponese, Americano, Europeo , e resto del mondo, il numero totale dei robot industriali istallati e l’incremento annuale reale e previsto.

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Tab. 8 numero totale dei robot industriali (WTEC 2006 )

Tab. 9 incremento annuale dei robot industriali (WTEC 2006)

I robot di servizio professionale nel mondo sono stimati intorno alle 20000 unità , se con essi vengono considerati anche robot personali di lavaggio ecc secondo fonte UNECE il valore globale del mercato passa da circa 2.4 miliardi di euro a 3.5 miliardi di euroNella tabella successiva viene mostrato a livello mondiale il valore economico l’entità numerica ed il campo di applicazione dei robot di servizio.

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Tab 10 robot industriali di servizio numero di unità, campi di applicazione, valore economico ( WTEC 2006)

L’analisi del mercato dei robot negli anni 2001-2005 ha mostrato una stagnazione che si è evidenziata con l’aumento degli stock a livello mondiale, che stanno continuando ad aumentare in tutto il mondo tranne che in Giappone ed in Corea , dove rimane alta anche la densità di robot per lavoratore.Questa differenza può in parte essere spiegata anche dal fatto che in queste due nazioni i dati vengono raccolti senza diversificazioni di destinazione.Nel 2005 le istallazioni di robot industriali in Europa sono diminuite del 2% in confronto al 2004 .ciò deve essere attribuito agli investimenti diminuiti nell’industria automobilistica europea ed al suo indotto in Germania, Italia, Spagna, Portogallo e Svezia.All’inverso le vendite sono aumentate nell’Europa dell’est ed in Gran Bretagna , solo in Francia le istallazioni sono aumentate nel comparto automobilistico, ma in generale il sistema automobilistico europeo ha diminuito la domanda d’acquisto di robot industriali del 28% .Al di fuori del comparto automobilistico , compreso l’indotto, la domanda di robot industriali ha conservato un trend positivo, Plastica e gomma, industria alimentare e confezioni, applicazioni casalinghe , forniture in legno vetro e ceramica, la richiesta è stata in espansione in tutte le aree.Nella tabella successiva si vedono gli andamenti per settore.

Tab 11 vendite di robot per comparto industriale 2004-2005 (WR 2006)

Categorie Numero di unità Valore economico ( milioni di €) Da campo ( agricoltura,miniere,foreste) 885 117Pulitura/manutenzione 3370 68Ispezione 185 21Costruzione/demolizione 3030 195Robot medicali 2440 352Sicurezza/difesa 1010 76Sottomarini 4785 1467Laboratorio 3060 37Altri 2295 110Totale 21060 2443

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2.2.2.2 Giappone

La Giapponese FANUC è la più grande produttrice di robot industriali al mondo con una produzione che si estende dalle eccezionali macchine CNC Computerized Numerically Controlled con una risoluzione cartesiana di 910 m ed una risoluzione angolare di 510 gradi , fino ai robot con payloads di 405 Kg e precisione di ripetibilità di 0.5 mm. ( in appendice IV un data sheet di un robotr FANUC )La FANUC occupa il 17% del mercato nazionale Giapponese, il 16% di quello Europeo ed il 20% del mercato nord americano.Di fatto si tratta di una multinazionale con casa madre in Giappone e società affiliate in tutti e cinque i continenti che formano un network di più di 30 consociate con competenze che si estendono anche a molti rami della meccatronica.Le industrie che seguono la FANUC a livello mondiale sono ancora giapponesi e sono la Kawasaki e la Yasakawa.Il Giappone è certamente la prima potenza mondiale nel campo della robotica non militare. Un importante e recentissimo (fine 2006) studio commissionato dal JETRO Japan External Trade Organization alla Fuji-Keizaki Co. Ltd.sui trend nell’industria robotica Giapponese ci informa che l’industria giapponese si sta sempre più indirizzando verso i robot interattivi il cui mercato è previsto in crescita costante, come mostrato nella tabella successiva.

Tab12 previsioni di espansione del mercato dei robot interattivi (JETRO 2006)

Specificamente per affrontare i problemi connessi con i robot umanoidi molte industrie giapponesi stanno alleandosi tra loro, anche perché il METRI Ministry of Economy, Trade and Industry fornisce fondi per lo sviluppo robotico solo ad industrie totalmente giapponesi. A livello industriale in giappone per i robot interattivi.Nella tabella successiva vengono mostrate le attuali alleanze che già si sono sviluppate tra industrie giapponesi per i robot interattivi.

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Tab 13 Recenti alleanze industriali interne per lo sviluppo della robotica (JETRO 2006)

Ovviamente il mercato di questi robot è ancora agli albori e il mercato di questi robot è primariamente volto al contesto nazionale , con poca incidenza ancora sulle esportazioni.Nella figura successiva viene mostrata la percentuale di esportazioni ( 20%) nei confronti della vendita interna (80%) di AIBO il robot Sony che ha venduto tra il 1999 ed il 2005 circa 140000 unità.

Fig 10 Andamento delle esportazioni di AIBO rispetto alle vendite ( JETRO 2006)

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Riguardo ai robot industriali , usati per la maggior parte nelle industrie automobilistica, ed elettrica e dei beni elettronici, il mercato asiatico è in forte crescita ed il Giappone pur essendo il più importante fornitore di software,hardware ed equipaggiamenti periferici è al contempo anche il più grande mercato.Il mercato asiatico si sta espandendo anche per le programmate Olimpiadi Cinesi del 2008 e le previsioni mondiali sono mostrate nella tabella successiva.

Tab14 il mercato mondiale dei robot manifatturieri (JETRO 2006)

Mentre la figura 11 mostra la divisione globale mondiale di produzione relativa ai robot per saldare e dipingere

Fig 11 Produttori di robot per saldatura e pittura (JETRO 2006)

Nelle figura successiva ( fig 12 a,b.,c) vengono mostrati i robot venduti separatamente per tipo negli US , in Europa e sul mercato asiatico escluso il Giappone. (a) (b) (c )

Fig 12 Vendita dei robot giapponesi inUS (a) in Europa (b) in Asia (c) (JETRO 2006)

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Infine il METI al fine di creare nuove industrie robotiche ha promosso e finanziato in proprio, in questi anni , dei programmi di R&D

Questi programmi sono:

1. Robot di nuova generazione ( Progetto FY04-FY05)Qualificate industrie giapponesi hanno offerto un finanzianmento del 50% di R&D per i robot della nuova generazione, le ricerche sono state portate a termine in Giappone ed i risultati robot pulitori, di sicurezza ed altri sistemi promettenti sono stati presentati all Esposizione ondiale del 2005.

2. Robot chirurgici e per terapie ( Progetto FY05-FY07)Ospedali, pubbliche istituzione ed industrie robotiche stanno lavorando di comune accordo per lo sviluppo di questi robot medici e/o medicali

3. Basi comuni per la nuova generazione ( Progetto FY2005 –FY2007) Usare i risultati delle ricerche precedenti per gettare le basi di un robot modulare capace di applicazioni molteplici , in campi diversi, con pochissimi aggiustamenti.

Anche altri ministeri si sono interessati di incentivare e sviluppare ricerche nel campo della robotica avanzata , nella tabella successiva vengono mostrati i principali ministeri e le R&D che essi hanno patrocinato.

Tab 15 Ministeri Giapponesi e R&D incentivate (JETRO 2006)

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2.2.2.3 Corea del SudIn Corea nel 2005 è partito un piano Nazionale che porterà ( secondo le loro previsioni ) ad un robot in ogni casa per il 2020.Questi robot sono progettati per aiuto nei lavori domestici, come controllo e pulizia, ed anche per aiuto ed istruzione ai bambini.L’idea cardine , per abbassarne il prezzo, è che questi robot non posseggono una intelligenza singola elevata , ma attraverso internet essi saranno connessi ad una intelligenza singola decentrata.Il prototipo mostrato è simile al robot di ricerca Hanool-Hanuri 1 . ed infatti l’Hanool con la YujinRobotics stanno lavorando insieme per sviluppare questo robot casalingo che sarà di tre tipi: un tipo diremo intellettuale che guarderà ed insegnerà ai bimbi, un tipo addetto alle pulizie e l’ultimo specializzato in segreteria telefonica.Il fatto che questi robot saranno sempre connessi con il ministero dell’informazione e delle comunicazioni non sembra aver disturbato la popolazione coreana. In questi giorni è partita l'attesa sperimentazione dei robot URC Ubiquitous Robotic Companion, pensati per svolgere mansioni di maggiordomo ed assistente domestico. Sono già 1000, tutti wireless e connessi ad Internet. Sono in consegna in questi giorni Come promesso, il governo della Corea del Sud ha iniziato la sperimentazione degli automi UCR: il Ministero delle Tecnologie ha consegnato i primi mille esemplari di questi sofisticati robot multifunzione, ideati per essere sempre connessi ad un unico server nazionale con dispositivi wireless. Il primo test ufficiale degli URC, verrà condotto grazie al supporto dell'operatore nazionale Korea Telecom, che fornirà la connettività necessaria al funzionamento degli automi. Sul Korea Times si legge che il governo ultimerà l'installazione degli URC nei nuclei familiari delle più importanti città coreane entro la prima metà di novembre: Seoul, Kwangju e Taegu. I robot, dotati di interfaccia vocale e di touch-screen integrato per facilitarne la programmazione, sono equipaggiati di applicativi per l'uso in ambito domestico. Oh Sang-rok, responsabile del progetto nazionale per la robotizzazione di massa, ha detto che gli automi sono in grado di "leggere una favola ai bambini, ordinare cibo da asporto e tenere compagnia agli anziani".Attraverso la connessione costante ad Internet, gli URC potranno scaricare "nuovi applicativi ogni giorno", ha aggiunto Oh Sang-rok "così che non smetteranno mai di migliorarsi". I modelli destinati alla vendita saranno disponibili soltanto dalla fine del 2007 ed avranno un costo compreso tra gli 800 ed i 1000 euro, in base alle caratteristiche hardware. Il governo prevede di installare alcuni modelli di URC nei maggiori aeroporti, nelle stazioni ferroviarie ed in certi uffici pubblici. I portavoce del governo hanno dichiarato che gli URC possono essere programmati per fornire informazioni, sorvegliare determinate zone pubbliche ed insegnare inglese agli studenti delle scuole medie. La Corea del Sud è tra i paesi con la più alta diffusione di connettività a banda larga ed il governo di Seoul ha speso quasi 8 miliardi di euro per promuovere lo sviluppo di nuove tecnologie nel campo della robotica.Nelle figure successive vengono mostrati il ministro dell’informazione coreana all’annuncio del piano un prototipo di robot coreano URC ed un robot industriale della FANUC

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Fig 13 a) il Ministro Coreano dell’Informazione annuncia il Piano 2020 un robot in ogni casa b) prototipo del robot di servizio Coreano.

Fig 14 un Robot Industriale FANUC

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2.2.2.4 Gli Stati UnitiStranamente a quanto possa pensarsi, a livello industriale , l’industria robotica americana si basa di fatto completamente sulla produzione giapponese ed Europea.Allo stato attuale una sola ditta americana oggi, l’ADEPT costruisce robot industriali americani in america.Un gruppo invece di piccole compagnie nel New England è specializzato in robot di servizio con tecnologie d’avanguardia.Nella foto successiva viene mostrato l’ “ADEPT Quattro” un nuovo robot parallelo della ADEPT“ADEPT Quattro” è stato disegnato specificamente per la produzione ad alta velocità , per l’assemblaggio, il confezionamento ed il maneggio dei materiali.È l’unico robot al mondo che presenta una progettazione a quattro bracci che possa raggiungere sia la massima velocità che la massima accelerazione nel corso dei suoi compiti, con grande facilità d’istallazione e massima flessibilità nei compiti esecutivi.

Fig 15 il robot parallelo ADEPT Quattro

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2.2.2.5 Europa

Le industrie più importanti dell’Europa sono la ABB Automation Brown Boveri e la KUKA Robotics , oltre il 50% della produzione ABB è indirizzata ai robot industriali, e su di un fatturato medio annuo di I,5 miliardi di euro il 5% viene reinvestito in R&D con centri di ricerca in tutto il mondo.Le compagnie europee hanno l’uso di servirsi outsources di parti specifiche come motori e sensori, mentre le compagnie giapponesi enfatizzano l’integrazione verticale al loro interno.Per una più completa visione dello stato della situazione della robotica industriale europea si rimanda al documento EURON Withe Paper on Industrial Automation del 2005 allegato ( vedi appendice V) .L’Europa ha certamente raggiunto una posizione leader nel mondo sia nella produzione che nell’uso dei robot, con un turnover annuale di vendite di circa 3,5 Miliardi di Euro che corrisponde al 33% del mercato mondiale.In Europa le industrie robotiche ed il loro indotto conta circa 225 compagnie con un giro economico di circa 13 Miliardi di Euro ed un trend di crescita del 7%.Il Withe Paper EURON propone una visione a lungo termine 2025 ed è stato accettato e prodotto dall’unione delle industrie robotiche europee EUR European United RoboticaNel paper riportato in appendice le industrie hanno individuato 5 scenari in modo da:

formulare le richieste che ci si aspetta da un futuro sistema robotica industriale, identificare i maggiori ostacoli tecnici e di ricerca a questa evoluzione, dedurre l’indirizzo delle ricerche più importanti

per ottenere quello che sarà il robot del 2025 che dovrà essere –un robot assistente che serve il lavoratore, al suo posto di lavoratore, essendo completamente integrato come un agente simbiotico nel sistema produttivo.Sono su questa base stati individuate le necessarie ricerche per ottenere un simile risultato suddivise per chiarezza su tre livelli 1) tecnologie di base 2) componenti robotiche 3 ) integrazione di sistema. Nelle figure successive vengono mostrati alcuni robot industriali europei con applicazioni nei vari campi.

Fig 16 Robot Kuka in catena di montaggio

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.Fig.17 Roboclimbrer Europeo da 3.8 10³ Kg, che si arrampica sulle scarpate per rafforzarla

Fig 18 pallettizzatore con robot a 4 assi

Fig.19 robot per imbottigliamento verticale

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2.2.3 Robot di servizio

I robot di servizio rappresentano un’altra amplissima area di applicazione che ad oggi , con la diffusione dell’intelligenza artificiale, si sta sempre più espandendo non solo nelle aree professionali ma anche in quelle domestiche fino all’applicazioni personali sia di sicurezza, sia di gioco, sia sanitarie.Quindi dalla prima fase espansiva, strettamente connessa all’industria ed alle capacità manifatturiere dei robot, oggi non solo i robot elettromeccanici, ma anche quelli virtuali ( Bot) , che comunque esulano dai limiti di questa trattazione, lavorano in quasi tutti i campi di servizio dell’uomo. In quest’ottica, si può francamente affermare che la tecnologia robotica ha sviluppato una capacità di penetrazione e pervasività nella società post-industriale avanzata, a dir poco elevatissima.Tale stato di cose, ci permette di definire con un po’ di enfasi, la tecnologia industriale , una tecnologia pressoché matura, mentre ci permette di comprendere che, con l’andar del tempo, la tecnologia di servizio potrà divenire uno dei campi più favorevoli allo sviluppo, nei prossimi anni a venire. Il problema della robotica di servizio, nella sua più ampia accezione, risulta un po’ analogo al vertiginoso sviluppo del terziario avvenuto, già da tempo, nella nostra società.Pertanto appare corretto convenire con le aspettative economico –industriali che prevedono per questo settore un incremento costante negli anni a venire.Nelle tabelle successive vengono classificati globalmente i robot di servizio sia per aree di utilizzo , sia per tipo di uso applicativo, ( Tab.16; 17).

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Robot da campo Agricoli Robot per il latte Robot forestali Sistemi per miniera Robot per lo spazio Altre applicazioni

Pulitura professionale Pulitura pavimenti Pulitura muri e finestre ( compresi robot scalatori) Pulizia di tank, tubi e linee (gas, petrolio) Pulizia di piscine Altre applicazioni di pulizia

Sistemi per ispezioni Robot per fognature Pulizia di tank, tubi e linee (gas, petrolio) Altri sistemi di ispezioni

Costruzioni e demolizioni Sistemi di demolizione1. decommissioning nucleare2. altri sistemi di demolizione

Robot di supporto alle costruzioni1. manutenzione e costruzione2. altri tipi di costruzione

Sistemi per la logistica Sistemi corriere Distribuzione di posta Logistica industriale Altri tipi di logistica

Robotica medica Sistemi diagnostici Robot di assistenza chirurgica o terapica Sistemi riabilitativi Altri robot medicali

Difesa, sicurezza e salvataggio Robot sminatori Robot anti bombe o fuoco Robot di sorveglianza Sistemi di sicurezza Veicoli non armati

1. Droni2. Veicoli terrestri

Altri robot Sistemi sottomarini Piattaforme mobili di uso generaleSistemi da laboratorio Trasportatori di materiale

Pulitori di stanze Altre applicazioni

Robot da pubbliche relazioni Robot per hotel e ristoranti Robot guida Robot commerciali Robot con altre applicazioni ( biblioteche)

Scopi speciali Robot da rifornimento Robot umanoidi Robot personalizzati

Tab.16 classificazione dei robot di servizio professionali per aree di applicazione

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Robot con compiti domestici Aspirapolvere Tagliaerba Pulitori di piscine Pulitori di finestre Altri compiti

Robot per divertimento Giocattoli Da intrattenimento Sistemi da hobby Sistemi educativi e da allenamento Altri sitstemi

Robot per assistenza handicap Sedie robotizzate Altre funzioni di assistenza Riabilitazione personale Altre applicazioni

Robot per trasporto personale Robot per trasportoSicurezza casalinga Sistemi di allarme

Sistemi di sicurezza anti incidenteAltri compiti domestici Robot domestici con altri compiti particolari

Tab.17 classificazione dei robot di servizio domestici e/o personali per aree di applicazione

2.2.3.1 Applicazioni personali

I robot per applicazioni personali, sono un’emanazione dei robot di servizio professionali , ma sebbene siano stati prodotti anch’essi per un mercato di massa , hanno utilizzato canali di marketing completamente differenti.Pertanto i robot di servizio personali , esclusi quelli per applicazioni domestiche che saranno trattate nel prossimo paragrafo , sono essenzialmente robot che includono :giocattoli e sistemi per l’educazione ed il training.I robot per assistenza agli handicappati rappresentano ancora un piccolo mercato che comunque appare essere in forte espansione nei prossimi anni.Altre aree attese in costante sviluppo sono quelle dei robot di trasporto personale e quella della sicurezza casalinga e della sorveglianza delle abitazioni.

2.2.3.2 Applicazioni domestiche

Nelle applicazioni domestiche i primi robot aspirapolvere furono introdotti in Svezia nel 2001 dall’Electrolux , il mercato si espanse notevolmente interessando molte altre industrie nel 2003 e 2004, tra cui le giapponesi Hitachi e Samsung raggiungendo circa 10000000 di unità vendute.Un altro campo di molto successo è stata l’introduzione dei robot tagliaerba con circa 46000 unità con due ditte che hanno dominato il mercato la solita Electrolux svedese e la stupefacente Friendly Robotica israeliana.

2.2.3.3 La DomoticaDefinizione e campi di applicazione

La domotica come si può facilmente arguire dal nome è l’applicazione della robotica e dei sistemi intelligenti alle applicazioni domestiche o alle stesse strutture abitative, le aree di applicazione possono

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essere più ampie della sola robotica domestica , di solito si è usi raggruppare tutte queste applicazioni robotiche e non in cinque principali campi applicativi come viene mostrato nella tabella 18

Risparmio energetico

Condizionamento : programmazione e/o zonazione Management elettrico

I) Razionalizzazione del carico,disconnessione temporale di apparecchi in funzione del consumo di elettricità,

II) Management tariffario, utilizzo degli apparati in regime tariffario favorevole

Uso delle fonti rinnovabili

Livello di confort

Automazione di tutti i sistemi, apparecchi, ed elettrodomestici con controlli ed intelligenze semplici

Integrazione tra telefono e centralina di controllo e/o videotelefono con televisione e comandi centralizzati di controllo

Illuminazione I) Chiusura di tutte le luci di casa, II) Automatizzazione di tutti i comandi luceIII) Regolazione dell’intensità in funzione del livello di

luminosità dell’ambiente

Protezione personale e patrimoniale

Detezione di possibili intrusioniI) Sensori di detezione movimentoII) Sensori di contatto ( vetri /finestre/porte)III) Sensori anti rottura cristalliIV) Sensori infrarosso

Simulazione di presenza Detezione, incendi,esplosioni,fughe di gas,perdite d’acqua Allarme medico, e tele-assistenza Chiusura sicura delle serrande Connessioni intelligenti con i servizi pubblici e forze di soccorso

Comunicazioni

Capacità di controllo della casa centralizzato Capacità di controllo remoto della casa via internet (telefono,

palmare, PC ) Controllo wireless dei sistemi elettrici Trasmissione di allarmi Intercomunicazioni e videocircuiti

Domo-robotica Controllo dei robot casalinghi Comunicazione WiFi tra robot e network domotico di casa o con

altri robot

Tab. 18 Campi di applicazione della Domotica e prodotti relativi

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2.2.3.4 Applicazioni professionali

Questi robot molto simili per funzionalità ai robot di servizio domestici hanno comunque una dimensione professionale ed una linea di marketing completamente diversificata.Robot mobili da campo hanno coperto il 9% , mentre i robot medici hanno coperto ben il 14% del mercato mondiale.Stupefacentemente i sistemi sottomarini nel 2004 hanno coperto circa il 24% del mercato mondiale.Mentre i robot di pulizia professionale e di uso da laboratorio hanno coperto circa il 14% del numero totale del mercato, ciascuno.Nelle figure successive vengono mostrati alcuni robot di servizio professionali.Mentre nel capitolo successivo saranno analizzate in modo ampio le nuove tendenze della ricerca mondiale relativamente suia ai costituenti essenziali di un robot , sia ai robot stessi, in modo da gettare le basi della robotica della prossima generazione.

Fig. 20 robot di sorveglianza Fig 21 Robot autonomi trasportano container

Fig. 22 operazione al ginocchio mediante robot Fig 23 assistente per la locomozione (Waseda)

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2.2.4 Dati statistici sulla robotica di servizio

Durante gli anni 80 ad all’inizio degli anni 90 i miglioramenti nella tecnologia dei sensori, del controllo dei computer e dei servomeccanismi ha portato a più di 200 applicazioni nel campo della robotica non manifatturiera.Le applicazioni finalizzate di questi robot andavano dai compiti professionali in terapia chirurgica, costruzioni, manutenzioni ed ispezioni , fino alla riabilitazione fisiatrica e la cura della casa.Le previsioni connesse con il crescente invecchiamento della popolazione dei paesi sviluppati mostrano un aumentato bisogno di servizi da un lato , mentre il vertiginoso sviluppo delle tecnologie meccatroniche e l’ampia gamma di progetti robotici per applicazioni nel campo dei servizi da un altro canto, fanno presagire un ottimistica crescita del mercato dei robot di servizio nei prossimi anni.Tuttavia l’innovazione e l’industrializzazione dei prodotti si è dimostrata molto più complessa di quanto ci si aspettasse, per alcuni ad esempio, ci sono voluti circa 10 anni prima di poterli immettere sul mercato in numero adeguato. Pertanto progettazione,industrializzazione e penetrazione nel mercato risultano ancor oggi un problema aperto per questo tipo di robot.La comparsa dei primi prodotti nel 1996 ha subito dato luogo alle prime definizioni delle Nazioni Unite confluite nella norma ISO 8373 che definisce il robot di servizio come: un robot che opera in modo semi o totalmente automatico per effettuare servizi utili al benessere dell’umanità o altri sistemi che escludendo fabbricazioni di manufatti, siano mobili e/o manipolativi o con ambedue le capacità.Nelle tabelle successive vengono mostrati il numero di robot di servizio al 2002 e le previsioni per il 2006 sia per uso professionale che privato.

Tab 19 numero dei robot di servizio professionali (Euron 2004)

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Tab 20 numero dei robot di servizio personali ( Euron 2004)

La presenza ubiquitaria di tecnologia e computer fa si che le tecnologie robotiche siano inserite nel network ICT alla stregua di agenti fisici capaci di accrescere ed estendere non solo le loro, ma anche le nostre capacità.I robot devono esser visti in questo contesto come unità capaci di muoversi, ed “Avvertire” con i sensori , di agire e di muoversi come parte di questo network per fornire nuovi servizi o applicazioni, sia come singoli sia in gruppo.I robot di servizio in quest’ottica saranno presenti in ogni aspetto della nostra vita.Le loro potenziali applicazioni sono così numerose che è utile classificarle nelle tre grandi categorie accennate all’inizio: Robot Professionali, Robot Personali, Robot d’intrattenimento.Nelle tabelle successive vengono mostrati rispettivamente l’evoluzione della R&D dei robot di servizio, i robot di servizio istallati secondo le categorie all’anno 2003 con previsioni al 2007, e la potenziale grandezza del mercato mondiale .

Tab 21 la road map della ricerca nella robotica di servizio (Euron 2005)

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Tab 22 le unità istallate di robot di servizio al 2003 e previsioni 2007 (Euron 2005)

Tab 23 la potenziale dimensione del mercato mondiale ( JRA 2004)

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Nei bollettini della World Robotics., viene citato il dato relativo ai robot di servizio ad uso personale del raggiungimento di quota 1,2 milioni di unità in servizio alla fine del 2004. Le previsioni mostrano che il mercato dei robot di servizio, ancorché giovane , presenta trend di crescita molto interessanti. L’area di maggior crescita è prevista nei robot domestici, sia per la pulizia che per l’intrattenimento. Infatti i dati della Consumer Electronic Association , confortano queste previsioni e ritengono che quello dei robot di servizio sarà il più alto trend nell’anno. Se invece ci riferiamo ai robot di servizio professionali in quest’area sono state istallate 31600 nuove unità per la fine del 2005, di cui 5680 unità sottomarine , circa il 18% del totale, seguono a stretto contatto con il 17% i robot per pulizia, robot militari, di soccorso e per la sicurezza si attestano intorno al 16% e i rimanenti cioè robot da costruzione, demolizione, da mungitura, medici, piattaforme generali e robot mobili circa 11%. Percentuali minori sono state valutate per i robot logistici e quelli per pubbliche relazioni. I robot di servizio per uso personale e privato hanno spuntato vendite pari a 1,9 milioni di unità per uso domestico e di più di 1 milione per quelli d’intrattenimento e divertimento alla fine del 2005. Bisogna considerare inoltre che, i robot per uso personale e domestico sono valutati in modo diverso , infatti il loro costo unitario è soltanto una frazione di quello degli analoghi robot professionali; ed inoltre i loro canali di commercializzazione sono completamente differenti. Comunque sia i robot di uso personale e domestico , sono generalmente da collocarsi nell’area dei così detti robot domestici, che includono aspirapolvere e tosaerba, alla fine del 2005 gli aspiratori erano circa 1,8 milioni, mentre i rasa erba ammontavano a 79000 unità. Ma anche nell’area dei robot da divertimento ed intrattenimento come robot giochi, sistemi robotizzati per hobby , robot educazionali e per istruzione. Il mercato dei robot per assistenza medico-ospedaliera e di supporto a persone con handicap è ancora poco sviluppato, ma si prevede che possa raddoppiare entro i prossimi quattro anni. Si prevede anche che per il futuro aumenterà il mercato di robot per trasporto personale e sicurezza e sorveglianza casalinga. Si prevede che entro il periodo 2006-2009 circa 34000 nuovi robot per servizio professionale saranno collocati sul mercato mondiale. Appare comunque importanti definire le aree a maggior crescita prevista e tra queste si possono facilmente individuare : i robot sottomarini, i robot da difesa e pace keeping, i robot da soccorso e sorveglianza, i robot da laboratorio, pulitori professionali robot medici ed anche piattaforme robotizzate per uso multiplo. Per i robot personali le previsioni, sempre nel periodo 2006-2009, stimano che le vendite raggiungeranno i 5,6 milioni di unità. Mentre per tutti i tipi di robot domestici (aspirapolvere, rasaerba, lavavetri, ed altri tipi )si prevede che le vendite raggiungeranno quota 3,9 milioni di unità. Il mercato dei robot da intrattenimento che include i giocattoli robotica e quindi unità che costano molto poco rispetto agli altri , si prevede che tra il 2006-2009 raggiungerà la quota di 1,6 milioni di unità vendute.

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2.3 Settori applicativi più promettenti di Ricerca e Sviluppo

2.3.1 Confronto fra le politiche di ricerca robotica

Prima di iniziare l’analisi dei settori applicativi di punta, nell’ambito della ricerca robotica, pare opportuno soffermarsi sulle importanti differenze filosofiche che sono alla base dello sforzo di ricerca che coinvolge le potenze mondiali attualmente impegnate nel dominio del mercato mondiale.In questa panoramica non vengono presi in considerazione i paesi emergenti come la Cina o l’India che sicuramente si affacceranno con prepotenza nei prossimi anni anche su questo fronte tecnologico.Pertanto oggi sulla scena mondiale competono, da un lato gli US, da un altro il Giappone e la Corea del sud ed infine l’Europa.Appare importante notare che la ricerca robotica sviluppata in questi paesi, pur portando agli stessi risultati tecnologici, si basa su tre criteri filosofici diversi, che chiameremo per comoditàMetodo Militare Cedntralizzato (US) , Metodo Misto Industriale ( Giappone , Corea del Sud ), Metodo Frazionato (EU).Il Metodo Militare Centralizzato che viene usato negli US si basa sulla seguente idea: Le applicazioni aerospaziali e di difesa sono fucina delle idee per la commercializzazione futura.Di fatto negli US molte idee per le applicazioni tecnologiche nel mondo commerciale affondano le loro origini nelle ricerche sviluppate prima dalle industrie belliche ed aerospaziali..Gli americani chiamano queste tecnologie FCS Future Combat Systems. L’ FCS consiste in una visione globale o sistemica di un network distribuito composto da agenti adattivi.- alcuni agenti sono i soldati, altri robot armati e non, altri software di supporto- questo sistema consiste in una combinazione di agenti armati e non armati , sia aerei, sia terrestri, legati fra loro, che attraverso un network di comunicazione wireless, agiscono come una forza di combattimento unificata.Un soldato integrato in questa piattaforma sensoristica, aerea e terrestre avrà una conoscenza della situazione globale molto più completa ed accurata, una tale capacità viene detta negli US “consapevolezza situazionale”.In tal modo attraverso la combinazione di sensori distribuiti, assetti collegati e armi leggere il pentagono spera di creare un insieme stratificato di sistemi difensivi per massimizzare le capacità di sopravvivenza dei propri soldati.Il DARPA Defence Advanced Reserarch Projects Agency ha già speso 15 miliardi di dollari ed prevede di finanziare i progetti FCS con 150 miliardi di dollari .Il programma FCS iniziato nel 2002 , si prevedeva che avesse prodotto i primi dimostratori entro il 2010 ed i prototipi finali con applicazioni e ricadute industriali in vaste aree entro il 2014.Nella figura successiva viene mostrata l’evoluzione prevista dal Pentagono nel campo della disseminazione commerciale delle idee sviluppate dapprima nei campi aerospaziale e militare.

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Fig.24 evoluzione delle idee militari verso il commerciale (WR 2004)

Un tale modello previsionale, in cui tipicamente le applicazioni si muovono dalle industrie aerospaziali e della difesa ad applicazioni commerciali ed eventualmente ad applicazioni relativamente poco costose più alla portata del singolo consumatore, prevede che i tempi dalla nascita dell’idea nei laboratori di ricerca fino allo sviluppo finale del prodotto industriale a basso costo, sono dell’ordine medio di circa 20 anni.Nella figura successiva viene mostrata il planning previsto dal Pentagono, nei progetti FCS, per lo sviluppo delle capacità relative ai robot mobili.

Tab 24 sviluppo previsto per le capacità dei robot mobili nei programmi FCS (WR2004)

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I venditori di applicazioni professionali e commerciali al minuto, secondo quanto programmato,dovrebbero avere il tempo opportuno, circa 20 anni, per maturare e sviluppare i loro prototipi commerciali.Stante quest’ipotesi di sviluppo prevista dal Pentagono, proprio per il programma FCS le cose sono andate ben diversamente, e l’intervallo di tempo di spostamento delle tecnologie, dal militare al consumo diffuso si sono drasticamente accorciate.Infatti i primi robot commerciali mobili sono dapprima apparsi nel mercato al consumo e con solo un paio di anni di ritardo, saltando di fatto lo sviluppo intermedio previsto dei prodotti professionali ad alto costo.Questo ciclo di vita compresso ha avuto altre ricadute interessanti per i progetti FCS, infatti la sostituzione dei componenti proprietari, con applicazioni di mercato a basso costo, ha prodotto un feedback interessante, di fatto con il loro uso si sono drasticamente abbassati i costi dei sistemi militari, permettendo un’ulteriore compressione dei tempi di sviluppo necessari a creare la successiva generazione di robot per applicazioni aerospaziali e militari.Per tanto in questa particolare area dei robot mobili, le applicazioni commerciali a basso costo che hanno subito sostituito i prodotti proprietari, rappresentano una discontinuità nella normale evoluzione prevista, ma anche un’opportunità di guadagno notevole per i produttori di elettronica di consumo, che sono più interessati a linee di prodotti commerciali a livello personale o casalingo.Nella figura successiva viene mostrata l’effettiva evoluzione del mercato dei robot con i relativi feedback di accelerazione della evoluzione dei prodotti.

Fig.25 evoluzione reale e feedback delle applicazioni FCS nel mercato (WR 2004)

Il Metodo Misto Industriale che viene usato in Giappone e Corea del Sud si basa sulla seguente idea: le linee guida della ricerca, della commercializzazione futura e dello sviluppo industriale vengono programmate a livello centrale, con una sfumatura interna:in Giappone, con un certo margine di libertà progettuale delle aziende, relativamente alla componentistica meccatronica avanzata ed ai prodotti commerciali.In Corea del Sud , con una forte interconnessione tra industrie robotiche, meccatroniche ed ITInfatti in queste due nazioni Leader nel campo della robotica, la presenza di massicci

finanziamenti statali su programmi di ricerca voluti dai governi sono il volano di base per le ricerche avanzate, innescando un voluto e benefico circolo virtuosa tra Robotica e meccatronica, con ampie e diffuse ricadute commerciali.

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Nelle tabelle successive vengono mostrati i finanziamenti e le potenzialità del mercato interno giapponese, per la robotica.

Tab 25 finanziamenti governativi Giappone 2004 ( JRA 2004)

Tab 26 stime del mercato robotico giapponese fino al 2025 (METI 2004)

Una debolezza intrinseca della industria Coreana è data difficoltà che loro incontrano nella commercializzazione dei prodotti.Ad esempio nei confronti delle altre potenze robotiche la Corea sviluppa solo il 25% dei brevetti.Il MOCIE sta provvedendo a sviluppare una opportuna politica di sostegno industriale per risolvere questo gap.Il Metodo Frazionato che si usa in EU è dovuto alle note vicissitudini politiche, economiche e storiche

del nostro continente si basa sulla seguente idea: le linee guida della ricerca vengono portate avanti dai centri di ricerca secondo visioni nazionali, lo sviluppo della commercializzazione futura è di stretta competenza industriale.Ovviamente, in tempi di mercato globale, una tale politica, sebbene sia più “democratica” risulta più debole nei confronti dei due altri metodi, sia sul lungo sia sul medio periodo.

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Senza considerare la frammentazione parcellizzata dovuta alle PMI esistenti in Europa ed operanti in vari campi della robotica dallo sviluppo alla integrazione di sistema.Proprio per ovviare ciò l’UE ha in questi ultimi anni compiuto uno sforzo progressivo verso l’armonizzazione e la razionalizzazione della ricerca robotica con l’istituzione di EURON ed EUROPche sono gruppi europei che hanno lo scopo di individuare le macrostrategie continentali in modo che i fondi europei per la ricerca, evitando inutili doppioni e ricerche senza una chiara finalizzazione strategica, possano essere sfruttati al meglio.E per tener conto del contributo delle PMI , l’EU ha istituito, nell’ambito del VI programmas quadro, un altro gruppo di armonizzazione lo SME robot che è un’iniziativa europea per rafforzare la competitività delle PMI , nell’attività produttiva.Nelle figure successive vengono mostrati i campi di eccellenza relativi delle quattro potenze robotiche e l’evoluzione della filosofia di mercato verso la clasterizzazione UE, di questi ultimi anni.

Fig 26 Campi di eccellenza delle quattro potenze robotiche mondiali ( infonaut 2006)

Fig.27 Maggiori Cluster industriali e valore dei mercati continentali ( infonaut 2006)

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2.3.2 Settori applicativi emergenti

Come si è già detto la robotica industriale è nell’ambito della famiglia robotica quella giunta ad una fase di sviluppo di tipo maturo, per cui lo sviluppo della ricerca nel campo industriale è essenzialmente rivolto all’introduzione dell’AI in modo da rendere più flessibili e modificabili gli interventi dei robot.La robotica di servizio apparsa alla fine degli anni novanta rappresenta il vero banco di prova della ricerca moderna sia nel campo delle applicazioni , sia nel campo della componentistica meccatronica di base, o in quello dimensionale, come vedremo nel capitolo prossimo.Nella figura successiva vengono mostrati i settori applicativi emergenti nel campo della ricerca robotica.

Fig 28 i settori emergenti nella ricerca robotica ( infonaut 2006)

Essenzialmente nel seguito ci si focalizzerà sui settori applicativi emergenti, sia nel campo della robotica industriale con l’introduzione del concetto di robot assistente.Sia in quello della robotica di servizio con la descrizione delle linee tendenziali mondiali ed europee.Tra le più importanti per l’EU sono i robot medici, seguiti da robot spaziali e di servizio.Nelle tabelle successive sono mostrati per confronto le leadership tecnologiche mondiali individuate dal WTEC e NISTEP

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Tab.27 leadership mondiali a confronto (WTEC 2005)

Tab. 28 leadership mondiali a confronto (NISTEP 2006)

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2.3.2.1 Robotica industriale

Robot assistentiAl fine di permettere la piena comprensione di questa nuova classe di robot industriali, che sono programmati e progettati per essere utilizzati dalla grande industria , come dalle PMI europee e che vengono definiti dal nome del programma europeo detto “SME robot”.Di seguito indichiamo lo stato dell’arte di queste tecnologie attraverso quattro classi di robot assistenti ( appartenenti alla classe degli SME robot) in funzione degli aspetti di sicurezza.

1 Robot come strumenti intelligenti

2 Robot estremamente flessibili

3 Robot efficienti nello spazio

4 Robot di trasporto autonomo.

I primi sono robot usati come strumenti flessibili per la loro attività.I secondi sono robot che si adattano al luogo, al processo ed al compito.I terzi sono robot che utilizzano sempre il medesimo spazio di lavoro, come gli uominiI quarti sono robot che ampliano il loro spazio di lavoro e la loro mobilità.

Allo stato attuale poiché, non esistono ancora robot dotati di queste specifiche peculiarità, nel WR 2006 , viene presentato un servey , presso le industrie che hanno risposto secondo la tabella successiva.

Tab. 29 risposte alla domanda : quali attese dall’uso di robot assistenti?Diviso per dimensione delle industrie ( WR 2006)

Nella figura successiva viene mostrato un esempio di robot assistente

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Fig 29 prototipo di Robot assistente ( IPA 2006)

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2.3.2.2 Robotica di servizio

2.3.2.2.1 Veicoli roboticiIl campo dei veicoli robotizzati abbraccia un ampio spettro di sistemi in cui intelligenza computazionale,e macchina fisica formano un tutt’uno, ottenendo veicoli con capacità veramente eccezionali che superano di gran lunga la capacità delle singole parti..I veicoli robotizzati, in genere, sono macchine che si muovono autonomamente sul suolo, nell’aria e nello spazio o sopra e sotto l’acqua , questa classe di veicoli si muove con a bordo le proprie sorgenti energetiche e compiono compiti complessi sotto la supervisione remota dell’uomo.L’ovvia capacità di questi veicoli è quella di poter andare in ambienti ostili all’uomo o praticamente irraggiungibili da lui esempi classici sono le profondità sia marine che spaziali.Un altro campo di applicazione è la loro capacità di essere usati in compiti di routine dove queste macchine possono facilmente rimpiazzare la presenza umana; le applicazioni classiche sono in agricoltura su vastissime estensioni, queste macchine sono tanto affidabili da svolgere meglio e più velocemente il compito umano,in tali campi non bisogna pensare a soluzioni di dimensioni umane o poco più , infatti questi veicoli possono raggiungere dimensioni ragguardevoli, atte a svolgere i compiti da svolgere, mediante l’ausilio del GPS tracking su vastissime superfici.Nella figura successiva sono mostrati un robot agricolo ed uno minerario di notevolissime dimensioni.

Fig 30 a) Robot Agricolo ( Int Harv, US) b) Robot Minerario ( ACFR Australia)

Un terzo campo di applicazione dei veicoli robotizzati è il supporto e l’assistenza di persone dalle persone portatrici di handicap, alla riabilitazione, fino ai robot ricreazionaliLa prima grossa evoluzione di questi sistemi robotizzati si è avuta nei sistemi di propulsione l’evoluzione concettuale di questi sistemi viene mostrata nella figura successiva ripresa dal WTEC 2006 già citato e che fornirà gran parte del materiale di questo capitolo.

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Fig 31 Ricerca: evoluzione concettuale delle soluzioni tecnologiche di mobilità (WTEC 2006)

Le sfide future della ricerca sui veicoli autonomi robotizzati si incentreranno su tutte e quattro le aree di maggior interesse per questi sistemi, cioè : 1 mobilità e meccanismi, 2 sistemi energetici e propulsione, 3 controlli, 4 sensori e navigazione.

1) Mobilità e meccanismi Principi del motoL’aspetto più studiato nei veicoli , oltre ai classici studi dinamici, è di fatto il moto bipede o locomozione bipodale.La biomeccanica di tale moto è di fatto nota, con una buona approssimazione, da circa 40 anni, ma la ricostruzione con metodi ingegneristici dei sistemi a locomozione bimodale pur avendo fatto passi da gigante restano ancora una pallida copia della “reale” capacità umana.La locomozione robotica viene studiata in due forme “quasi statica” e “dinamica” ed i più aggiornati algoritmi mostrano grande sofisticazione sia nel moto che nell’equilibrio , ma come accennato sono ancora lontani dai modelli umani.Ovviamente la dinamica bimodale ha possibili estensioni a moti multiarticolari e per i modelli con sistemi misti ruote più gambe ecc.

Materiali e designAnche queste due aree sono in una fase di sviluppo specialmente con l’utilizzo di nuovi materiali più resistenti e leggeri , per quasi tutti i meccanismi di questi robot .il design sta mutuando molte idee dai sistemi biologici ed il mondo animale .

2) Sistemi Energetici e propulsioneI sistemi propulsivi, poiché alcuni di questi robot devono essere dotati di autonomia a lungo termine , spingono la ricerca verso sempre più sofisticate forme di batterie, in quanto spesso il rifornimento in determinate zone può essere impraticabile, altre ricerche si sono indirizzate verso il miglioramento di efficienza di sistemi aperti a cattura energetica, celle solari o altro, in questo campo si suppone che lo studio avanzato dei sistemi miosinici con motori che si alimentano ad agitazione termica ( moti browniani) potrà portare nel futuro a nuove concezioni di propulsione.

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Infine l’ultimo trend si evidenzia nella ricerca di nuove strategie di conservazione dell’energia es celle a combustibile anche di dimensioni microscopiche.

3) ControlliLa nascita dei microprocessori ha permesso un gran balzo in avanti ai veicoli robotizzati , di fatto la presenza di tali processori ha permesso di istallare a bordo sistemi sensoristici molto più sofisticati ed attuatori con feedback più evoluti.La spinta attuale è verso architetture computeristiche più efficienti e miglioramento delle capacità di coordinamento delle strumentazioni a bordo.Controlli comportamentaliQuesti tipi di controlli sono costruiti sull’analogo dei sistemi biologici che sembrano possedere un sistema di feedback basato su attivazione sensoriale che si evolve in un contesto comportamentale.I sistemi comportamentali sembra che forniscano una risposta stabile e sensibile al contesto in cui operano, senza costruirsi una rappresentazione esplicita e dettagliata dell’ambiente circostante.Un tale sistema comportamentale con il suo feedback reagisce integrando un processo di apprendimento che permette al sistema di adattarsi flessibilmente alle possibili variazioni dell’ambiente in cui il sistema deve interagire.

Controlli gerarchiciIn questi veicoli robotizzati che sono sistemi complessi spesso vengono definite gerarchie rappresentative dei diversi livelli di intervento del sistema.Spesso una tale impostazione si basa sulla possibilità di detezione degli errori, sul servizio e sul supporto ed anche su formali algoritmi di analisi ed ottimizzazione del sistema o del processo.In tempi recenti i sistemi di controllo gerarchici e comportamentali sono sempre più integrati al fine di fornire risposte più tempestive , ma al contempo flessibili, in situazioni complesse.Nella figura successiva ( fig. 81 ) viene mostrata una tale integrazione nell’ambito di un sistema di ricerca e soccorso adottato dal CRASAR ( Center for Robot Assisted Search and Rescue ) dell’università della Florida del sud US.

Fig. 32 Integrazione di architetture di controllo gerarchico e comportamentale per soccorso e ricerca presso il CRASAR dell’USF US. ( WTEC 2006 )

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4) Sensori e navigazioneLa vertiginosa crescita dei sensori , basata su microsistemi ha permesso l’uso dinamico di tali sistemi sensoristici.Non solo nella sensoristica individuativa.Ad esempio non solo identificare la presenza di un inquinante ambientale, ma mapparne anche la distribuzione e fornire dati che possano permettere l’identificazione della o delle sorgenti. Ma anche in quella di navigazione.I sensori sono fondamentali per la navigazione fisica del veicolo, per fargli individuare dove sta , come deve muoversi nell’ambiente e come deve rappresentare questo ambiente. I sensori attuali di localizzazione sono sempre più spesso basati su sistemi laser.Nell’ambito delle attuali ricerche avanzate un’area particolare è ricoperta dallo SLAM (Simultaneous Localization And Mapping ) noto altrimenti come sistema CML ( Cooperative Mapping and Localization) .Il principio su cui si basa lo SLAM è quello di un algoritmo matematico molto sofisticato ed elegante che è capace di rappresentare le particolarità osservate dell’ambiente circostante attraverso distribuzioni di probabilità. ( vedi Appendice III )

2.3.2.2.2 Robot spazialiLa robotica spaziale prevede lo sviluppo di macchine generaliste che sono capaci di:

1. sopravvivere nell’ambiente estremo dello spazio ( almeno per un tempo determinato)2. effettuare esplorazioni in questo ambiente.3. assemblare sistemi atti ad albergare nello spazio.4. costruire sistemi5. manutenere sistemi6. ed espletare servizi

gli uomini possono controllare tali robot , sia in modo locale, sia in modo remoto. Essi generalmente sono sistemi multitasking che effettuano i compiti loro affidati in modo meno dispendioso e spesso più velocemente e qualche volta con una performance migliore degli uomini.Ovviamente i robot spaziali possono essere di forma molteplice dai noti “Rover” vedi figura successiva ( fig.33) , creati dai laboratori Jet Propulsion

Fig 33 il braccio Robotico del Robot Esploratore Rover su Marte

Il braccio del Rover trasporta diversi sensori e strumenti per effettuare diversi compiti di esplorazione e campionamento.

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Un altro tipo di robot spaziali sono i “Robonauti” detti anche robot astronauta equivalente, sviluppati persso il Johnson Space Center.La premessa fondamentale per questi robot è che essi possano sostituire al massimo gli astronauti.Pertanto sono circa dello stesso peso, volume e destrezza degli astronauti ed abili a usare i medesimi strumenti , pertanto essi hanno mani con cinque dita a 14 gradi di libertà .Nella figura successiva (fig. 34 a,b ) vengono mostrati alcuni robonauti costruiti negli US.

( a ) ( b )

Fig. 34 a,b, Robonauti NASA

L’uso dei robot, in missioni di lunga durata o in voli di routine nello spazio, rappresenta un interessante opportunità per il futuro dei voli e delle esplorazioni spaziali spaziali.I robot possono ad esempio aiutare gli astronauti nel compiere compiti speciali o pericolosi. I sistemi robotici ed i veicoli autonomi terrestri in ambienti non strutturati ( come i rovers per l’esplorazione di Marte della NASA e dell’ESA) sono già stati utilizzati in tempi recenti, come mostrato nella figura precedente. Per tale ragione diverse ricerche e progetti applicativi si stanno sviluppando e si svilupperanno nel prossimo futuro nell’area dei voli spaziali.In tale ambito i robot potrebbero divenire con l’andar del tempo ancora più importanti specialmente se nella versione robonauti saranno resi sempre più abili ad interoperare con gli astronauti, al fine di poter portare a termine compiti complessi. Una delle sfide tecnologiche importanti è data dal ritardo temporale dei manipolatori , infatti il sistema noto come “master-slave” può essere adatto solo se il ritardo temporale e di qualche frazione di secondo, nel caso invece in cui il ritardo è dell’ordine di alcuni secondi gli operatori umani sono pressocchè inadatti alla teleoperazione.In questi casi, che sono la maggioranza nello spazio, allora l’operatore è connesso allo “slave” attraverso un “controllo supervisore” che media i ritardi degli impulsi elettronici ed elettrici impedendo oscillazioni spurie ed uso improprio delle forze.Nella figura successiva (fig.35) viene mostrato un braccio manipolatore sottomarino che svolge attività di manutenzione mediante un supervisore di controllo.

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.

Fig 35 Manipolatore adatto ad operazioni con tempo di ritardo

In tale dominio appare fondamentale il ruolo che potranno avere le tecnologie di VR , nel controllo avanzato di un veicolo o di un sistema robotizzato remoto ed anche nel training full immersion degli addetti.Tutte le applicazioni connesse a questo dominio sono connesse all’area dell’ MMI Man Machine Interface.Quindi sulla base degli attuali traguardi ottenuti in questo campo, si svilupperanno le applicazioni future dovute allo sviluppo ed alla ricerca.Certamente la futura generazione di MMI sarà basata su di un controllo multimodale basato simultaneamente sul sistema vocale- quello gestuale e feedback tattile , con esoscheletri ( vedi Cibernica) per il controllo di bracci robotici con feedback 3D.Anche la nuova generazione di veicoli spaziali volanti ( navette) è prevista con equipaggiamento di avanzata generazione di MMI come le carlinghe interattive dotate di display MFD che permetteranno al pilota di gestire un gran numero di informazioni attraverso un limitato numero di schermi, che potranno anche essere sfogliati, ma tali carlinghe forniranno anche un maggior livello di integrazione attraverso un opportuno uso di VR in 3D.In questo campo la vera sfida consisterà in una nuova generazione di carlinghe in cui il data-fusion di VR ed AR fornirà al pilota informazioni geotattiche semplici ed immediate.Nella tabella successiva presa dal WTEC viene mostrata una valutazione comparata delle differenti regioni nella robotica Spaziale.

US Canada Giappone EuropaProprietà

Mobilità 0000 0 00 000Manipolazione 0 000 000 000

Ambiente estremo 000 00 00 00

Potenza , ecc 000 0 00 00

Applicazioni

Rovers 0000 0 00 000Grandi Manipolatori 0 0000 0000 0Manipolatori Abili 000 0000 000 0000

Volo libero 000 0 000 00

Tab 30 comparazione qualitativa della capacità delle differenti aree del mondoin robotica spaziale (WTEC 2600)

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2.3.2.2.3 Robot umanoidiI primi robot umanoidi sono iniziati ad apparire circa trenta anni fa , oggi i moderni robot umanoidi hanno i più importanti sistemi all’altezza dei piedi e della testa.Gli arti inferiori possono essere gambe, ruote o cingoli, mentre gli arti superiori sono braccia articolate con mani prensili. Tutte le catene cinetiche si innestano su di un tronco che normalmente contiene le fonti energetiche ed i microprocessori per il controllo del sistema.Molti laboratori data la complessità dei sistemi si sono specializzati solo su di i sottosistemi ovvero la mano, il sistema di visione, ecc. molti sono specializzati nella coordinazione di tali sottosistemi.Su questa scia solo pochi laboratori hanno affrontato il robot umanoide completo, perché complesso e dispendioso, ma i pochi esempi esistenti sono eccellenti.Nella figura successiva ( fig.36 ) viene mostrata l’anatomia fondamentale di un robot umanoide.

Fig. 36 l’anatomia fondamentale di un robot umanoide : catene cinetiche, torso, mani prensili.

La base della problematica dei robot umanoidi è nella locomozione bimodale.La biomeccanica della locomozione è una branca molto studiata , da cui si conosce che , è fondamentale per la stabilità dinamica del sistema che sia completamente controllata la forza di reazione al suolo , derivante dal contatto del piede con il suolo.Studiando la posizione di un piede robotica, nella fase di singolo appoggio deve essere possibile sostituire le forze elementari con la risultante ed annullare anche il momento risultante.Il momento si applicherà in un punto di applicazione in cui si annulla, allora questo punto detto ZMP Zero Moment Point è il punto da cui possono essere dedotte tutte le equazioni dell’equilibrio dinamico. Vedi figura successiva.Così l’introduzione della nozione del punto ZMP permette di risolvere questo problema specifico della meccanica classica applicata.

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Fig. 37 distribuzione del carico lungo il piede robotica

Infatti le equazioni dell’equilibrio dinamico per ogni altro punto conterranno forze di reazione incognite e non saranno risolvibili.Invece se esse vengono integrate quando sono scritte nel punto ZMP diviene possibile calcolare le forze di reazione , che dipendono da tutte le coordinate interne del sistema ( velocità ed accelerazioni ).Il passo successivo è l’applicazione della dinamica inversa. Nella figura successiva (fig 38 ) è mostrato il grafico tridimensionale di un robot in locomozione, ottenuto presso i laboratori Kato nel 1984

Fig 38 Walk Master : traiettoria dello ZMP e proiezione del CM

Il concetto di punto ZMP ed il metodo semi inverso furono elaborati dai ricercatori di Ichiro Kato che furono i primi a realizzare la compensazione dinamica della locomozione con il corpo nel 1986.Nella figura successiva viene mostrata la locomozione basata sul punto ZMP.

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Fig.39 locomozione ZMP ( Zero Moment point)

Nelle figure seguenti sono mostrati alcuni esempi di robot umanoidi costruiti nel mondo rispettivamente dall’Honda, dal MIT, dalla Sarcos, Dalla Toyota e dalla NASA

Fig 40 robot Umanoidi rispettivamente Honda, MIT, Sarcos , Toyota, NASA.

I robot umanoidi anche se sembrano, allo stato attuale delle cose , una branca senza un chiaro business plan ben definito per l’industria mondiale, essi comunque in differenti nazioni hanno un apprezzamento diverso, ma allo stato attuale delle cose la loro esistente , ma non evidente flessibilità li rende atti alle seguenti applicazioni:

1. militare2. sicurezza3. medicina4. servizio casalingo5. spazio6. lavori pericolosi7. manifatturiero

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2.3.2.2.4 Robot personaliSe non prendiamo in considerazione i robot giocattolo,tra i robot di servizio ad uso personale, la commercializzazione, si sta sempre più interessando allo sviluppo di robot pulitori ( pulitori di piscine, aspirapolvere, lava vetri ) rasaerba e di sicurezza.Di questi l’ultima linea , è la più diretta collegata delle ricerche militari in atto, in vari paesi.

Fig 41 robot di servizio pulitori

Fig. 42 Robot di Sorveglianza

a) Stadio di Berlino b) Bomb Tec- Allen Vanguard- Robot-Nato

2.3.2.2.5 Robot mediciNell’ambito della robotica di servizio un posto importante sta acquisendo la robotica biologica e quella con applicazioni mediche .In robotica la capacità di operatività “real time” è una delle caratteristiche più importanti che si sta sviluppando, sia attraverso nuovi sensori, sia mediante i software tipo RTOS Real Time Operative System.Se la velocità richiesta al robot supera le capacità del RTOS e la risposta temporale è critica nell’ambito di una adeguata operatività ; soluzioni soddisfacenti possono esser ottenute attraverso opportuni ASICS Application Specific Integrated Circuits .In questo campo lo stato dell’arte della tecnologia si sta dirigendo verso software di alto livello come gli HDL Hardware Descriptive Language nel campo dei sistemi riprogrammabili del tipo FPGA Field Programmable Gate Array o dei loro complementari nel dominio analogico gli FPAA Field

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Programmable Analog Array , l’idea dell’evoluzione biologica applicata ai robot rappresenta uno dei nuovi trend del campo della robotica medica avanzata.Nel campo della biologia lo scopo principale delle applicazioni robotiche è quello connesso con tipiche applicazioni come le analisi SNP Single Nucleotide Polimorphism o il mixing e la distribuzione di bio-soluzioni per la cristallizzazione di membrane proteiche. Senza robot ed automazione i biocampioni dovrebbero essere agitati da mani umane, i sistemi robotica offrono invece affidabilità e maggior velocità per questi compiti.Anche altre aree di applicazioni biologiche sono in corso di sviluppo per una serie di interessanti robot da laboratorio.Nel campo medico invece la ricerca partì circa quindici anni or sono, ed oggi risulta molto attiva. Il primo campo applicativo è stato quello chirurgico, in quanto i robot possono far bene quello che i dottori non possono cioè precisione millimetrica e ripetibilità , inoltre i robot sono abili nell’operare in via endoscopica in poco spazio.Questo rende i robot più affidabili in operazioni poco o minimamente invasive oggi è provato da una lunga pratica che i robot chirurgici sono usati di routine in operazioni, cardiache,cerebrali, spinali,o alle ginocchia e specialmente negli US gli ospedali si attrezzano con sempre più avanzati robot.Robot chirurgici sono usati in Europa in chirurgia cardiaca, ortopedia, urologia, chirurgia cerebrale e fetale.Nella figura successiva possiamo vedere in forma compatta l’evoluzione della robotica medica in questi ultimi anni, che è passata da una chirurgia mini invasiva ad interventi endocavitari ed endoluminali.

Fig 43 Evoluzione della robotica chirurgica. ( Dompre LIRMM 2007)

Come si può facilmente intendere lo sviluppo si sta sempre più evolvendo verso la miniaturizzazione e la chirurgia endocavitaria.Con l’introduzione delle nanotecnologie la miniaturizzazione e con l’introduzione dell’AI una sempre maggiore flessibilità ed autonomia, queste sono le linee guida della ricerca avanzata nella robotica medica.Su questa base nella prossima figura viene mostrato lo stato dell’arte di varie tecniche chirurgiche adottate molto spesso in Europa.

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Fig 44 Stato dell’arte di varie tecnologie chirurgiche. ( Dompre LIRMM 2007)La robotica sta acquisendo anche spazio nel campo diagnostico, ove si dimostra meno invasiva e più affidabile, un esempio per tutti è la capsula endoscopica messa a punto in Italia alla scuola superiore S.Anna.Nella figura successiva viene mostrato questo robot diagnostico.

Fig. 45 Capsula endoscopica per esami del tratto gastrointestinale Polo S.Anna Caldera Scuola Superiore S.Anna di Pisa

Oggi vi sono molti di questi prodotti tecnologici utilizzati nel mondo frutto di tecnologie nazionali diverse nella figura successiva un esempio di pillole endoscopiche attualmente in uso nel mondo.

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Fig 46 esempi di robotica diagnostica mondiali ( Dompre LIRMM 2007)

Nella figura successiva l’ultima evoluzione della pillola endoscopica della Scuola S. Anna di Pisa chiaro esempio di evoluzione mimo-biologica del robot endoscopico, si è passati infatti dal sistema passivo ad un sistema semiautonomo EMIL.

Fig 47 il robot colonoscopico semiautonomo EMIL della SSS Anna di Pisa( Dompre LIRMM 2007).

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2.3.3 Esempi di sviluppi nei settori emergenti

Gli Ultimi Ritrovati

2.3.3.1 il GiapponeIn Giappone lo stato avanzato della ricerca è indirizzata verso un nuovo campo che va oltre la vecchia robotica questo sviluppo è stato reso possibile dalla nascita della cibernica.Questa nuova disciplina nata in Giappone in questi ultimi anni, come la meccatronica, deve la sua nascita all’utilizzo complesso dei robot al servizio dell’uomo. Infatti la Cibernica nata all’università di Tsukuba è nel campo accademico l’insieme di Cibernetica, Meccatronica, Bionica, Ingegneria Medica, Bioingegneria, Biomeccanica, Neurofisiologia, Fisica e Matematica, senza disdegnare le scienze comportamentali, la robotica, la psicologia e la tecnologia dell’informazione.Questa nuova disciplina include lo studio del benessere individuale, nell’ambito della casa o della società e come tutto ciò si connetta con i sistemi robotici.Questo ha portato alla costruzione di Hal ( Hybrid Assistite Limb) che viene definito un Cyborg ovvero un organismo cibernetico che di fatto rappresenta il primo sistema mondiale che connette il corpo umano al robot che si muove come l’indossatore desidera.HAL lavora in modo così analogo al sistema neurologico e muscolo scheletrico dell’indossatore che di fatto può considerarsi un’estensione del corpo umano. Nella figura successiva vengono mostrati due HAL indossati

Fig 48 HAL ( Hybrid Assistite Limb) sistema cibernico avanzato giapponese

Le varie parti del corpo si muovono dopo che il cervello ha inviato un comando al motoneurone e quindi al muscolo.Questi comandi sono minuscoli segnali bioelettrici che possono essere individuati attraverso la pelle.HAL cattura questi segnali e li trasla in comandi che invia automaticamente alle sue articolazioni.Così se si veste HAL quando si vuole star seduti,in piedi, camminare o alzare qualcosa di molto pesante, HAL individua i segnali dal vostro cervello e aiuta a fare tutto ciò che si desidera.

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Il”vestito “robotica è una specie di esoscheletro che vi fornisce la forza extra di cui si necessita per sollevare un peso che altrimenti non potreste sollevare.Il concetto dietro lo sviluppo di HAL è quello che una parallela via di evoluzione oltre quella biologica è quella tecnologica.Lo sviluppo di HAL iniziò intorno al 1992, partendo dalle ricerche di base sul sistema nervoso, con lo scopo di misurare i segnali bioelettrici inviati dal sistema nervoso.Dal 1995 è stato messo a punto un esperimento di base, il primo prototipo è nato nel 1997 ora si è ad HAL-5 Nel 2005 la cibernica è stata scelta come disciplina accademica prioritaria per i robot della prossima generazione nella scuola di ingegneria informatica a Tsukuba .Oggi in molti laboratori si stanno sviluppandi R&D in questo campo.Hal può aiutare handicappati, far fare lavori fisici pesanti, e può essere usato in operazioni di soccorso.

In UfficioIl robot umanoide EMIEW vi stringe la mano in una stretta gioiosa, la sua mano si muove come quella umana. Egli può viaggiare a 6 Km/h e ruotare in pochissimo spazio, si sta evolvendo verso robot abile a fornire informazioni al banco di una reception o ad effettuare semplici lavori di ufficio. h 130 cm. Peso circa 70 Kg

A CasaPaPeRo è un patner personale equipaggiato con una camer CCD che vi riconosce e danza quando è felice. Ma riesce anche a conversare e quando è connesso ad internet fornisce notizie o gli oroscopi, si sta evolvendo in un amico casalingo h 38.5 cm.

Nelle situazioni pericoloseLa scala sale dal balcone anche più in alto di una scala da pompieri , trasportando con se una piccolo bombola di ossigeno un set da emergenza medica.Può essere utile in incendi o altre situazioni critiche. La scala sale di 30 piani e discende in 10 minuti h 4m peso 36 Kg.

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FRIGO-DD si spinge in un ambiente con terroristi o in un impianto incendiato . I suoi sensori possono individuare gas nervini o gas combustibili o radiazioni gamma ed inviare il resoconto al di fuori mediante sistemi wireless . I sensori sono facilmente intercambiabili h 22 cm, lunghezza 37,5cm larghezza 34 cm peso 14,5 Kg

ENRYU ("RESCUE DRAGON") È grande e forte e si usa come soccorso in zone di disastro, Enryu lavora o in remoto o con un operatore a bordo larghezza 2,4m altezza e profondità 3,5m peso circa 5 tonnellate.

ROBO D1 svolge funzioni di guardia e controllo di edifici e appartamenti, impianti invia immagini ad un centro di controllo presidiato da umani . può anche spegnere piccoli incendi se attrezzato adeguatamente, h circa 110 cm , peso circa 80Kg.

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Chirurgia Il robot micro chirurgico MM-1 Aiuta I dottori nell’asportazioni di tumori cerebrali, riconnette piccoli vasi ed effettua alter operazioni che richiedono precisione e micromanipolazione.Il dottore controlla tramite un video ogni 100 mm di moto del medico producono un moto di 5mm nel robot . MM-1 è stato usato con successo in bypass doi vasi da 0,8mm di diametro ad un profondità di 60 mm.

Gli umanoidi invece divengono sempre più un sostegno per la popolazione che invecchia o come ASIMO già oggi un perfetto maggiordomo che si evolve in aiuto e compagnia o come altri robot usati per lavori faticosi in ambienti non strutturati.

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Sicurezza

UBIKO è un nuovissimo robot che può annusare l’odore del fumo . ubioko è il risultato della collaborazione dell’industria ,della Università di Kyushu e dell’istituto di Tecnologia di Kanazawa.

(UBIKO è alto 145 cm e pesa 45 Kg . questo robot è equipaggiato con un set di sensori olfattivi che individuano gliodori del fumo e della cenere . in un recente test, il robot ha attraversato quattro stanze una con del profumo , la seconda con odore di cipolla, la terza con una sigaretta nella quarta la stanza era inodore, UBIKO nel suo test ha correttamente identificato il fumo di sigaretta. Mentre all’Akiba Robot Festival a dicembre del 2006 è stato mostrato l’ ACTROID DER 2 della Kokoro che sviluppa Animatronics e tecnologie robotiche per la nuova generazione

Fig 49 l’Actroid DER 2 denominato Kitty

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2.3.3.2 La Corea del Sud

Il piano nazionale di sviluppo in dieci line precedentemente accennato individua anche una linea RobotLe piattaforme individuate sono tre “Silver Mate”, “Silver Walker”, “Silver Care”,E quella dei “Intelligence Chips nella forma System on Chips (SoC)”.La piattaforma Silver Mate è tesa all’assistenza della popolazione anziana nella vita quotidiana. Essa dovrà operare in casa con le funzioni di aumento dell’abilità, consultazione e psicoterapia degli anziani.Essi saranno anche capaci di svolgere semplici compiti come portare oggetti , o libri informare delle attività o notizie e capaci di conversare.La Silver Walker aiuterà gli anziani nella locomozione allenandoli e sostenendo i loro muscoli indeboliti, nella versione finale sarà indossabile dall’anziano per controllare il suo equilibrio, aiutando sia le deficienze muscolari che le percezioni spaziali.Nella versione Silver Care lo scopo sarà il monitoraggio della salute dell’anziano, anche in remoto con la possibilità di allarme in caso di necessità.Il chip intelligente ha lo scopo di rendere l’intelligenza del robot indipendente dal tipo di sistema robotico utilizzato infatti i chips saranno categorizzati e modularizzati in modo da ottenere un pacchetto detto SOC (System on Chips ) il SOC sarà applicabile ad un qualsiasi generico robot o ad una macchina intelligente

Il PSR ( Public Service Robot) è l’integrazione di tecnologie di manipolazione e mobilità applicabili ad uso ufficio e e nelle ditte attraverso il PSR è possibile localizzare, navigare, portare con braccia morbide al fine di evitare danni agli uomini.

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WCR (Wheel chair robot ) è una piattaforma di ricerca che ha sviluppato un robot per il sostegno delle attività giornaliere di un disabile integrata con tecnologie come un braccio robotica, un mouse ad occhio un sistema tattile con un controllo elettromiografico che permette al disabile di controllare facilmente il sistema.

Il sistema assicura il sostegno per il mangiare, il bere, lo sbarbarsi, prendere cose, ecc.Un altro sistema prodotto è un robot saldatore ,ottenuto da un sistema automatico di saldatura più da un robot mobile a sei assi . esso è usato nella saldatura di putrelle nella costruzione di grattacieli e può muoversi intorno alla putrella trasportato da un meccanismo.

HOMEBOT è un robot casalingo che svolge compiti di aiuto controllo vigilanza e divertimento è capace anche di superare ostacoli , semplici compiti di trasporto, riconosce 300 parole ed identifica 10 visi , può fare mappature dell’abitazione ed anche localizzazione di ostacoli schivandoli al contempo.

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GINI THE GUIDE ROBOT è il prodotto di spin off di robot PSR serve da guida ai musei , mostre e ricezione del pubblico negli eventi ufficiali.Il robot possiede navigazione autonoma, management delle conoscenze per commenti e presentazioni , riconoscimento vocale, e sintesi vocale, con presentazione web based.

Un ultimissimo tipo di robot è l’ ISGR ( Intelligent Surveillance and Guard Robot ) Samsung Techwin .Istallato al confine con la Corea del Nord esso è il primo sistema robotico che è capace simultaneamente di sorveglianza , tracking, di fare fuoco ed avere anche il riconoscimento vocale. Il sistema individua persino i movimenti sospetti , intercetta l’intruso lo segue e fa anche fuoco. Il robot con il riconoscimento vocale chiede << chi c’è qui ? >> se l’intruso non risponde con il codice di accesso corretto, viene dato l’allarme e sparate pallottole di gomma o anche con un mitra K3.

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L’ Istituto Coreano KAIST Korea Advanced Institute of Science and Technology ha annunciate in questi giorni lo sviluppo di un nuovo Robot Hub FX-1 il “sedia-bot”.Esso è una sedia gigante, con le gambe, che può portare individui del peso di 100Kg.

Ogni caviglia è dotato di sensori 3 assiali di forza e momento che misurano la GRF Ground Reaction Force. Ogni piede possiede sensori d’inclinazione che permettono al robot di stabilizzarsi da solo. La Corea del Sud ha presentato al mondo la sua prima creatura artificiale dall'aspetto umano:EVERovvero Eva in versione robotica. Si tratta del primo esemplare di una serie di androidi destinati a rivestire un ruolo importante nella vita di tutti i giorni della società sudcoreana. L'androide, EVER, è in grado di dialogare con gli umani grazie ad un sistema di riconoscimento vocale. I molti sensori ed oltre 15 microtelecamere permettono ad EVER di riconoscere le emozioni degli interlocutori, attraverso l'analisi dei movimenti, e l'uso di ben 35 micromotori simulano i muscoli facciali. Grazie a questa dotazione, EVER può assumere una vasta gamma di espressioni artificiali: dalla felicità allo sgomento, dalla tristezza alla sorpresa.

Fig 50 Ever ( Eva .Robot)

Un guscio di silicone ricopre la struttura metallica di EVER, così che la sua “pelle” ha un aspetto assai simile a quella umana. Alta 1 metro e 60 centimetri per 50 chili di peso, EVER è stata presentata dal

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ministro delle attività produttive come “una ragazza di venti anni”, ha riportato il quotidiano locale Chosunilbo. L'industria robotica nazionale, spinta dai finanziamenti del governo e dall'obiettivo di portare gli automi in tutte le case dei cittadini, è intenzionata a produrre in serie il modello Ever-1. Sviluppata nei laboratori del KITECH, l'Istituto Coreano di Tecnologia Industriale, “EVER avrà il suo posto nei musei, nei negozi e negli sportelli informativi”, ha dichiarato Baeg Moonhong, “padre” del robot.

L'unico limite attuale di Ever è che i suoi arti inferiori non possono muoversi. Ma solo per poco tempo ancora: Baeg ha fatto sapere che “le prossime revisioni di EVER potranno alzarsi e camminare”, oltre ad avere “nuove funzioni di riconoscimento delle emozioni”.

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2.3.3.3 Gli Stati Uniti

L’innovazione negli US è di fatto presente negli stessi campi applicative Giapponesi, Coreani ed Europei.È comunque interessante un progetto, completamente nuovo, partito presso la Tufts University.Secondo questo progetto la nuova generazione di Robot sarà completamente morbida, aumentando la flessibilità delle articolazioni.L’Università di Medford, la Mass University ha lanciato una nuova iniziativa focalizzata sulla scienza e l’ingegneria di una nuova classe di robot dal corpo morbido con 730000 dollari di fondi forniti dalla Fondazione W.M.Keck di los Angeles California.L’idea è quella di combinare la biologia, la bio-ingegneria e la nanotecnologia per creare una classe flessibile di robot che sia capace di sviluppare compiti che richiedono grande mobilità , come missioni di ricerca e soccorso, missioni di riparazione e manutenzione durante esplorazioni spaziali.Lo scopo finale sarebbe quello di sviluppare sistemi innovativi e strumenti per - robot dal corpo morbido- basati su materiali biologici e sui meccanismi adattivi trovati nelle cellule viventi, nei tessuti e nell’organismo umano.Nel campo della chirurgia è stato presentato un nuovo robot PENELOPE SIS che può operare in totale autonomia , la totale autonomia si è già svolta durante il corso di un’operazione, in cui chirurgo e robot hanno operato autonomamente sullo stesso paziente.

Fig 51 Penelope SIS chirurgo autonomo

Un altro centro importantissimo per la ricerca sulla robotica medica è il Johns Hopkings University con il connesso Johns Hopkins Hospital.Attualmente in esso, oltre alle strumentazioni di feedback tattile già presentate precedentemente, si stanno sperimentado e mettendo a punto due interessanti robot medici.Uno da parte del dr Russel H.Taylor e di Nabil Simaan della Columbia University un robot serpentiforme, di metallo non magnetizzabile con sei gradi di libertà e la possibilità di muoversi anche ad “S”, sviluppato ed usato per le operazioni alla gola.Un altro robot sofisticato è quello che, in aiuto al chirurgo, evita che la sua mano possa avere tremori naturali dannosi in microchirurgia ed è così abile da essere usato per iniettare farmaci opportuni nei capillari dell’occhio.Nelle figure successive sono mostrati questi due nuovi tipi di robot a sostegno della chirurgia di precisione.

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Fig. 52 Robot serpentiforme per operazioni alla gola Fig 53 robot ferma tremori

Gli scienziati del Robotics Institute di Pittsburgh hanno creato HEARTLANDER, un microrobot in grado di piazzarsi sulla superficie del cuore, spostarsi nella direzione voluta seguendo ordini dall’esterno, e fare le operazioni necessarie per guarire il cuore malato (iniettare farmaci localmente, fare una biopsia, collocare elettrodi che correggono il ritmo cardiaco, favorire l’ossigenazione in un arteria ostruita). Il prototipo di questo piccolo robot è formato da due piedi in policarbonato, uno in fronte dell’altro, connessi da tre fili. Il tutto è collegato da altri fili a un motore esterno. Il robot, in grado di muoversi come se fosse un bruco, viene inserito dentro al pericardio tramite un primo taglio allo sterno, e un secondo taglio al pericardio, la membrana che avvolge e protegge il cuore. I piedi del robot applicano una leggera suzione per fare presa sulla superficie del cuore, il medico guida il loro movimento con un joystick, aiutato da diversi strumenti per determinare la loro posizione, come una videocamera in miniatura sul robot, sensori magnetici e immagini a raggi X.

Fig 54 Heart Lander

I vantaggi di questo sistema innovativo rispetto ai metodi tradizionali o ai sistemi più moderni in uso sono vari. Al momento, le operazioni meno invasive vengono eseguite con dei robot multibraccia, usando piccole incisioni fra le costole per arrivare con gli strumenti al cuore. Purtroppo, per poter lavorare in questo modo bisogna prima sgonfiare uno dei due polmoni. Con HEARTLANDER, basta un taglio di 2 cm sotto lo sterno per raggiungere qualsiasi punto sul cuore, incluso il lato posteriore che rimane problematico con i metodi esistenti. Inoltre, non bisogna sgonfiare i polmoni, e non bisogna compensare il ritmo cardiaco, visto che il robot

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si muove insieme al cuore mentre batte. Infine, è piccolo, leggero, economico, e “usa e getta”. Gli esperimenti, eseguiti fino ad ora dagli scienziati Americani, hanno confermato, sul cuore di un maiale anestetizzato, l'adattamento alle curvature fisiologiche del cuore e la possibilità di iniettare sostanze e di impiantare dei pacemaker. Si crede che il robot mostrerà la sua utilità non solo per la chirurgia e le terapie già esistenti, ma anche per terapie innovative come l'iniezione di geni codificanti fattori di crescita o il trapianto di cellule staminali per la rigenerazione di tessuto danneggiato. Altro campo di grande interesse per lo sviluppo robotica americano sono i robot spaziali nella figura successiva, ripresa dal documento Europ maggio 2005 ( vedi appendice VII), è mostrata la strategia che la NASA intende sviluppare nella esplorazione spaziale, prossima.

Fig55 Il Programma NASA di esplorazione umano e robotica ( Europ 2005)

Mentre di seguito è mostrato l’ultimo nato in casa US il robot ATHLETE mentre viene provato nel deserto americano, ultima evoluzione del GO FOR prototipo del 1992,

Fig 56 ATHLETE robot lunare

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Come ricordato nel paragrafo di analisi delle filosofie di base gli US hanno impostato tutta la ricerca robotica avanzata, nell’ambito del programma militare FCS Future Combat System. Tra i centri di ricerca militari che sono specializzati in robotica uno fra i più grandi degli US. è lo SPAWAR di San Diego. Nella figura successiva viene mostrato il logo del centro contornato con alcune sue realizzazioni applicative.

Il DARPA Defence Advanced Research Agency nell’ambito del progetto FCS Future Combat System da 150 miliardi di dollari è attivo di fatto in ogni campo della robotica. In questi ultimi tempi ha presentato ed portato a termine, nel campo della chirurgia robotica, la prima operazione effettuata in telemetria, nella foto successiva è mostrato il sistema che ha avuto un enorme successo, sia tecnico che pratico. Infatti un medico ha effettuato, con l’utilizzo di un drone come ponte radio, una operazione pienamente riuscita

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Fig 57 Darpa (Defence Advanced Research Project Agenc ) esperienza di tele operazione riuscita

Un altro campo in grande espansione è quello dei sistemi armati e non , sviluppati o incentivati dal DARPA, sempre nell’ambito del progetto FCS , in questo settore la I Robot ha avuto un contratto da 32 milioni di dollari per lo sviluppo dei SUGV Small Unmanned Ground Vehicle .Nella figura successiva un SUGV della I Robot.

Fig 58 un SUGV della iRobotÈ poco noto, ad esempio, che nella attuale guerra in Iraq ed Afghanistan vi sono attivi sul campo circa 5000 robot , rispetto ai 150 del 2004 .Essi sono usati per la ricerca in grotte, o edifici, per trovare bombe, mine o autobombe.Dopo cinque anni di guerra in Iraq il governo federale ha speso molti soldi in robot ed i due maggiori costruttori americani hanno aumentato la loro produzione.La Foster-Miller Inc., di Waltham, Mass.,ha recentemente fornito 1000 nuovi robot ai militari mentre la iRobot ha messo in opera 385 robot a fronte dei 252 del 2005.Il governo spenderà circa 1.7 miliardi di dollari in robot militari fra il 2006 ed il 2012 a detto Bill Thomasmeyer, capo del National Center for Defense Robotics, ad un consorzio di 160 compagnie, università e laboratori governativi.

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Fig 59 Warrior X700

Il manager della iRobot, George Bustioloz presenta Warrior X700 al club nazionale della stampa di Washinghton a giugno del 2007 .Uno degli ultimi nati è FIDO , un robot che sniffa le bombe, questo perchè il 70% delle perdite avviene per bombe poste sul ciglio stradale.FIDO è il primo robot della iRobot Corp, con un sensore integrato della Burlington, Mass, la IRobot soddisferà un primo ordine di 100 robot , nei prossimi mesi.FIDO prodotto al GEM City Manufacturing and Engineering plant, rappresenta un miglioramento notevole nei confronti dei robot cercamine fin qui progettati e prodotti.Il sistema funziona in remoto ed il nuovo robot ha un braccio manipolatore di 7 piedi che porta il sensore che fa lo scan del veicolo o della zona sospetta.Il sensore è coperto da segreto militare.Il suo costo è di 165000 dollari ognuno fornito di ruote telecamere sensori e del braccio che è disegnato per disarmare l’ordigno.

Fig 60 Robot militare FIDO

Due esemplari di robot BigDog si muovono al comando remoto nella Stazione Militare dell’aviazione della Marina US a New River, N.C., 26 giugno, 2006.Il DARPA sta considerando piani di armamento del Big Dog per poi usarli come trasporto associato

dei Marines, in modo da liberare i soldati da carichi extra.

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U.S. Marine Corps photo by Lance Cpl. M. L. Meier

Fig61 robot militare Big Dog

Un robot scout dell’ultima generazione , sono usati sul campo militare per effettuare azioni di perlustrazione per verificare la presenza di agenti chimici o biologici o esplosivi e raccogliere dati di intelligence in zone pericolose da “ bonificare”.

Fig62 il Robot Scout Dragon Runner

Il veicolo robotizzato autonomo Stanley della Stanford University vincitore dei 2 milioni di dollari del DARPA Gand Challenge del 2005 una gara per veicoli completamente automatici lunga ben 200 km, in ambiente non strutturato.

Fig 63 Stanley

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La fantascienza prossima venturaNella futuristica visione delle necessità belliche il dipartimento della Difesa degli US ( Il Pentagono) attraverso il DARPA ha lanciato una richiesta di proposte di ricerche applicative per sviluppare “Robot Chimici” fatti di materiale soffice , flessibile tale da potersi assottigliare e modellare attraverso fessure più piccole delle proprie dimensioni statiche per poi ricostituirsi e svolgere il compito militare previsto. Infatti nella richiesta del DARPA ( vedere Appendice V) viene specificato “la natura fornisce molti esempi di funzionalità ChemBot. Molte creature soffici come gatti, polpi, ed insetti traversano fessure poco più larghe del loro più largo componente duro , attraverso una varietà di meccanismi reversibili.Il DARPA cerca prototipi robotici definiti ChemBot che rappresentano la convergenza di materiali soffici , chimica e robotica per creare una nuova classe di robot soffici a livello di meso-scala che abbiano le seguenti caratteristiche operative.

1.Capacità di metamorfosi in tutte e tre le dimensioni;2. La struttura deve poter sentire e modificarsi in funzione di una fessura, e.g., usando un sensore tattile locale;3. Dorsale della struttura flessibile o architettura che si modifica o si dissolve per poi ricostituirsi –capacità fondamentale che il sistema deve possedere ; 4. Payloads deve rimanere utilizzabile anche dopo la traversata. Il payloads rigido, che include le sorgenti, deve essere tanto piccolo quanto la caratteristica dell’apertura più larga . il nuovo payloads morbido che si modifica e si ricostruisce può essere più largo della fessura;5. Modesto consumo energetico. Il ChemBots può essere energeticamente autonomo, con auto-consumo, o catturatore d’energia;6. Autonomo o telecomandato, dipendendo dall’applicazione. ChemBots non deve essere legato a controlli e/o sorgenti;7. A dimensione di Meso-scala, preferenzialmente con un’architettura scalabile; e8. Robusto oltre il tipico range operazionale militare (temperatura,umidità, ecc..).

I prototipi dovranno avere le dimensioni di una palla da softball (30cm per 10 cm con un volume di 500 cm³ ) essere capaci di spostarsi per una distanza minima di 5m alla velocità di 0,004 m/s �ollassatead un decimo della loro dimensione e successivamente assottigliarsi e penetrare in una fessura di 1cm e ricostituirsi nella loro forma originale in 15 secondi

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2.3.3.4 L’Europa L’Europa ha affrontato in maniera molto pragmatica il problema della estrema difficoltà di poter comparare i risultati delle ricerche che si stanno portanto avanti al suo interno.Ovviamente un raffronto sia pur teorico dei risultati ottenuti, attraverso le pubblicazioni, non solo era improponibile, ma di fatto irrealizzabile a causa anche del mancato standard di elaborazione dei documenti.Di fatto il paragone dei singoli algoritmi, software, soluzioni tecniche e quant’altro è praticamente ed intrinsecamente irrealizzabile.Lo stato di queste cose non può certo esser cambiato sul breve periodo, ma EURON (European Robotic Research Network) il network europeo di ben 204 laboratori di robotica, ha risolto in modo brillante il problema avviando un processo di benchmarking che nel tempo fornirà i suoi frutti opportuni.L’idea base è stata quella di utilizzare alcuni fattori compatibili con questa necessità e già di fatto esistenti a livello planetario: le competizioni settoriali di robotica nel mondo.Pertanto il passo successivo è stato quello di individuare dei regolamenti o dei golden standard compatibili con il benchmark richiesto.L’istituzione di queste “Olimpiadi dei Robots” oltre al benchmark in questione , può avrere altre ricadute interessanti come :maggiore visibilità internazionale delle ricerche europee, maggior faciltà di trasferimento delle idee di ricerca agli sviluppatori,maggior disseminazione di alcune soluzioni nel mondo industriale.Già gli americani DARPA Defence Advanced Research Program Agency e NSF National Science Foundation avevano istituito grand challanges settoriali con risultati interessanti e soddisfacenti anche come linee guida d’indirizzo delle ricerche.A livello industriale per i suoi stabilimenti europei Ford aveva istituito una competizione per un ordine di 400 robot per saldatura nel marzo del 1996.La competizione aveva spinto le imprese ad uno sforzo rapido di benchmarking ed oggi gli impianti europei della Ford adottano tutti robot KUKA, della KUKA roboters vincitrice della gara.Il primo benchmark della ricerca si è avuto a Palermo nel Marzo del 2006 i risultati di questa manifestazione sono riportati con maggior approfondimento nel documento EURON FP6-IST-507728 “Research Benchmarks V2” Deliverable DR2.3 presentato nell’appendice VI.Una strategia robotica consolidata è certamente il prerequisito necessario per preparare una nuova generazione di robot industriali che collaboreranno con i lavoratori e potranno anche essere utilizzati fuori dalle fabbriche per nuove strategie di mercato.Come applicazioni industriali , di servizio, di sicurezza, spaziali, i robot sempre più condividono gli obiettivi di ricerca .Pertanto la necessità di conservare la leadership Europea nella robotica industriale espandendo le conquiste anche ai campi della sicurezza e del servizio, si basa sulla volontà di assicurare un nuovo livello di qualità della vita ai cittadini europei. Nelle appendici VII-VIII è possibile visionare i lavori Security e Space Robotics (2005) e Service Robotics (2005) sviluppati per la piattaforma EUROP In quest’ottica il 29 giugno 2006 è stata lanciata a Brussel la piattaforma EUROP European Robotic Platform capace di sostenere una nuova politica di R&D sulla scia della strategia di Lisbona.L’ambizione della piattaforma EUROP è quella di permettere di conservare all’Europa la leadership nella robotica , sviluppare nuove industrie e agevolare la nascita di un network che permetta di soddisfare le future richieste tecnologiche, razionalizzando la ricerca.Nella figura successiva vari robot di servizio, prodotti in Europa

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Fig64 Robot di servizio europei

Alto appena 30 centimetri, bipede, RunBot, l’automa sviluppato da un gruppo di ricercatori tedeschi e scozzesi, è il robot più veloce del mondo, capace di muoversi esattamente come un essere umano e di raggiungere una velocità di oltre un metro al secondo. Il robo-corridore sfrutta “un sistema assai semplice ma al contempo efficace” per muoversi “in maniera del tutto naturale”.

Fig65 Run Bot dalla Germania

Il segreto del movimento sta tutto “nell'imitare i meccanismi neurali degli esseri viventi”, hanno dichiarato i ricercatori, “attraverso l'uso di software che emulano i modelli di base dietro i riflessi muscolari”. L'apparato elettronico di RunBot utilizza un “circuito neurale”, ricreato attraverso l'uso di speciali sensori. “RunBot si basa su un sistema neurale che regola l'oscillazione della gamba ed una sorta di riflesso naturale in grado d'attivarsi quando un piede, durante la camminata, tocca terra: l'altro piede, apparentemente in modo automatico, si solleva e procede quasi automaticamente in avanti”.

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Attualmente i progetti avanzati in europa si incentrano in quattro progetti comunitari :

Chyberhand sviluppato sotto il coordinamento italiano SSS.Anna di Pisa Hydra sotto il coordinamento Danese Swarm robot sotto il coordinamento Belga Prof Marco Dorigo Il Progetto Arte SImit coordinato dalla Germania

. Fig. 66 Progetto Swarm Robots Fig 67 Progetto Cyberhand

Fig 68 Progetto Arte S Imit Fig 69 Progetto Hydra

Anche nella microrobotica medica l’Europa continua a conservare il suo posto di leadership internazionale contendendo con gli US per il primo posto. Nella foro successiva l’ultimo nato in Israele, un robot sottomarino che può viaggiare nei nostri vasi guidato da campi magnetici.Questo progetto è stato sviluppato dai Dr. Nir Schwalb del College of Judea and Samaria in Ariel e Oded Salomon del dipartimento di ingegneria meccanica del Technion-Israel Institute of Technology.

Fig70 MicroRobot medico diagnostico che naviga in vena

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Nel campo della robotica spaziale la figura successiva mostra il piano di sviluppo europeo di gestione ESA, European Space Agency, denominato Aurora, che può esser messo a confronto con il piano NASA ( vedi fig 55)

Fig 71 la road map del programma ESA Aurora ( Europ 2005)

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2.4 Previsioni di Investimento

È stato molto complesso ricavare indicazioni delle previsioni d’investimento sulla robotica a livello globale .Stante una situazione di notevole differenza fra US, Giappone ed Europa nella tabella successiva vengono mostrate le differenze tra l’ammontare della produzione mondiale di prodotti Hi Tech da che si evince che nel 1996 gli USA producevano circa il 35% il Giappone il 25% e l’ Europa (Ger,Fran; UK,Italia ) si attestava a circa il 20%

Fig 72 Produzione mondiale % di Hi Tech per i paesi industrializzati (STA OECD1996)

Le spese totali per R&D vengono mostrate nella figura seguente mostrata ad un seminario Eurotechnology nel 2001

Fig 73 Spese di R&S nel mondo (STA OECD 1996 )

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La situazione mostrata nelle due figure precedenti da conto del soverchiante peso americano nella scienza avanzata , nella figura successiva soino mostrati i Premi Nobel dati dal 1946 al 1996 .

Fig 74 Distribuzioni dei Nobel dal 1946-1996

L’analisi fatta dagli americani del WTEC (2006) ha mostrato a livello globale che il livello di collaborazione fra governi, istituzioni accademiche ed industrie in Giappone, Corea ed Europa è di fatto molto più stringente che quello che avviene negli US.In Giappone la strategia nazionale è quella di creare nuove industrie in sette aree di interesse strategico tra cui la roboticaIn Corea la robotica è stata indicata come una delle dieci nuove vie di sviluppo della nuova generazione di tecnologia.Il mercato mondiale è dell’ordine dei 4 miliardi di euro e cresce ad un ritmo del 4% annuale.Lo sforzo congiunto in Europa ha portato all’istituzione di EURON ed EUROP European Robotic Platform che cercano di congiungere i programmi industriali ed universitari.In Europa la situazione dei finanziamenti deve essere vista a due livelli finanziamenti interni di ogni stato ( di fatto difficili da reperire e quantizzare , perché spesso sono indiretti ,per non cadere sotto la scure europea dei finanziamenti illeciti che bloccano il libero mercato interno ) e finanziamenti comunitari che per la ricerca afferiscono ai programmi quadro pluriennali.Lo stanziamento nel VII programma quadroUE 2007-2013 è di circa 56 Miliardi di Euro, mentre la JARA Japanese Robotic Association ha lanciato iniziative nel campo della robotica per circa 300 Miliardi di Yen.In Corea le ricerche sono in continuo avanzamento e l’industria robotica si è connessa in un programma di ricerca strategica di circa 400 Miliardi di Won.Istituti coreani hanno previsto che il volume del mercato mondiale dei robot intelligenti sarà entro il 2020 di circa 1000 miliardi di Dollari, con oscillazioni tra le varie stime mondiali di alcuni istituti che passano da un minimo di 250 miliardi di dollari fino ad un massimo di 1500 miliardi di dollari nel 2020.Con tassi di crescita previsti tra il 2007 ed il 2020 di circa il 18% annuo.Ambedue gli ultimi programmi sono inseriti in una più grande roadmap verso il raggiungimento di nuovi vertici competitivi in tecnologie critiche ritenute fondamentali per il futuro di tutte le industrie manifatturiere.Negli US , senza tener conto del programma FCS Future Combat System , partito nel 2002 con un budget previsto di 150 miliardi di Dollari risulta dalle informazioni ricavate che il governo spenderà circa 1.7 miliardi di dollari in robot militari fra il 2006 ed il 2012 per un consorzio di 160

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compagnie, università e laboratori governativi. A questi vanno aggiunti , ad esempio, 730000 dollari di fondi forniti dalla Fondazione W.M.Keck di los Angeles California.ad una sola università, dal che si comprende la difficoltà di poter reperire dati globali sui finanziamenti in quanto si genera lo stesso problema che nasce in Europa :

da una parte il governo federale con forti finanziamenti militari, dall’altra il forte flusso di danaro che deriva dalle varie fondazioni locali e spesso i beneficiari sono sempre gli stessi istituti che percepiscono fondi da ambedue i tipi di erogazioni, spesso per gli stessi programmi.L’industria dell’automazione continua a beneficiare di una forte domanda per i robot di servizio nel loro intero spettro.Un recentissimo studio dell’ ARC Advisory Group (2007) afferma che l’intero mercato mondiale crescerà ancora di più nei prossimi cinque anni.Accordandosi con Larry O’Brien, direttore delle ricerche dell’ARC: “ il mercato totale dei robot di servizio per l’industria dell’automazione si aggira intorno a 14 miliardi di Dollari nel 2006 con un rateo annuale di crescita superiore al 12% fino ad almeno il 2011.Gli aumenti si concentreranno nelle economie dei paesi emergenti come Cina, resto dell’Asia e America Latina., e l’ARC prevede che il mercato cinese, ad esempio, diverrà, in grandezza, più del doppio del mercato Giapponese nel 2008Nella tabella successiva vengono indicate le previsioni dell’ARC Group.

Tab31 il mercato mondiale dei robot ( ARC 2007)

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III Stato dell’arte della Robotica

Sinossi del III° Capitolo

Il terzo capitolo rappresenta in forma compatta e sintetica una overview delle classi di tecnologie specifiche che compongono un robot.in modo figurato esso rappresenta un mezzo per entrare, al fine di osservare, cosa l’inventiva dei ricercatori stia preparando per il nostro futuro prossimo.Il terzo capitolo con lo sviluppo dei suoi contenuti , oltre a farci fare un piccolo passo nel domani, deve esser considerato un momento essenziale per la comprensione dello stato delle tecnologie specifiche che compongono un robot e dei loro sviluppi più avanzati .In esso infatti, dopo i primi due capitoli che si possono considerare genericamente introduttivi all’argomento robotica, si affronta il mondo complesso della robotica soffermandosi:

1. sulle principali tecnologie costituenti un robot, in termini sistemici , cioè attuatori, sensori, energia, navigazione e controllo

2. sulle strade avanzate che i ricercatori stanno percorrendo, fornendo ad esempio i robot di capacità sia autocostruttive , sia d’intelligenza artificiale.

3. sulle evoluzioni prodotte in ognuno dei campi precedenti in modo da produrre microsistemi e microrobot

4. sulle ultime risultanze dell’evoluzione dai microsistemi e microrobot vero i nanosistemi e la nanorobotica

Una prima analisi si incentra sulle attuali capacità evolutive che i ricercatori stanno inserendo nei i robot prototipali della nuova generazione.Successivamente lo studio viene esteso a tutti i tipi di costituenti sistemici di un robot e viene sviluppata una disanima dei trend evoluzionistici attuali, con specifici approfondimenti nell’ambito di argomenti ritenuti importanti, come ad esempio il problema della sensoristica tattile, che è un campo di sfida nelle necessità evolutive della sensoristica applicata ai robot spaziali.O come l’intelligenza swarms che rappresenta una zona d’incontro tra biologia dei sistemi complessi ed ingegneria.Gli ingegneri infatti sono sempre più interessati a questi tipi di comportamento swarm , in quanto questo tipo d’ ”intelligenza swarm”può essere applicato all’ottimizzazione di sistemi complessi come : le telecomunicazioni, la robotica, andamenti di traffico, trasporti ecc.Lo swarm fornisce la possibilità di migliorare il compito della performance di gruppo nell’ambito dell’ alta affidabilità , con un insieme di unità di bassa complessità e con costi più bassi rispetto ad un sistema robotico tradizionale capace di svolgere il medesimo compito.Viene poi effettuata una breve analisi dei limiti dei MEMS ( micro elctromechanical systems) e dei microrobot autonomi, accennando inoltre alle problematiche di scala ad essi connesse.Infine vengono affrontate concisamente le nanomanipolazioni ed i problemi associati con la nanorobotica.

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3.1 Rassegna delle tecnologie

Alla luce degli ultimi sviluppi appare utile indirizzare lo stato della R & D in robotica sia nel campo macroscopico, sia in quello microscopico.Un discorso separato sarà sviluppato per gli ultimi trend della ricerca e dello sviluppo internazionale, quelli cioè generati dall’introduzione di nuovi materiali definiti nanomateriali e delle conseguenti applicazioni di questi alla meccatronica in generale e più specificamente alla robotica con la nascita di un nuovo filone : la Nano robotica.

3.1.1 Sensori

Nel campo della sensoristica avanzata, oltre a sensori di visione, l’attuale sfida è basata su tre campi interconnessi:

1. la risposta temporale sempre più elevata, con sensori sempre più adatti per il real time.2. l’uso di network di sensori (con la relativa fusion data) che possono fornire i robot di maggiore

flessibilità per ogni tipo di attività sia tradizionale che avanzata.3. l’uso della VR Virtual Reality per studiare architetture e FSR Fusion Sensors Structures per i

nuovi robot

3.1.1.1 Macrosensoristica

Gli studi sono indirizzati verso l’individuazione di sensori avanzati che possano interconnettersi in network tali da rendere più flessibili e rapidi in risposta i robot attuali, in sensori wireless che permettono un controllo remoto del sistema, sensori su fibra ottica che permettono sistemi multisensori avanzati ad alta densità, ecc.

3.1.1.2 Micro-sensoristica

In micro robotica per “ intellettualizzare” i sistemi è necessario sviluppare sensori che individuino la situazione ambientale a quelle dimensioni ( vedi Meccatronica) . le micro lavorazioni funzionalizzano i microsensori . infatti le microtecnologie di fabbricazione facilitano la costruzione di nuovi sensori introducendo in essi altre microstrutture ed integrandole con circuiti elettrici.Essenzialmente i microsensori microcostruiti sono statoi sviluppati nelle seguenti aree:

1. sensori di pressione2. sensori di accelerazione3. sensori chimici.

Alcuni di questi microsensori ad esempio sono già stati introdotti come controlli di pressione nei sistemi di iniezione dei moderni motori.Nelle successive figure sono mostrati due microsensori paragonati alla dimensione di monetine correnti.

Fig.75 microsensore Fig 76 transricevitori CDi

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3.1.2 Attuatori

In robotica , gli attuatori sono una suddivisione della classe più generale dei trasduttori.Essi sono strumenti o meccanismi atti a trasformare particolari segnali di input ( essenzialmente spesso segnali elettrici) in moto.Di fatto, un robot , dal punto di vista meccanico è un meccanismo composto da una serie di collegamenti connessi con delle articolazioni che trasferiscono le forze o i moti da una sorgente fino al punto di applicazione.Esempi macroscopici e classici usati in robotica sono motori elettrici, attuatori pneumatici, pistoni idraulici e/o piezoelettrici..I tre tipi classici di attuatori sono stati la base delle forze di tutti i robot tradizionali.Lo stato avanzato di tali strumentazioni si basa essenzialmente sulla miniaturizzazione di sistemi classici e sull’utilizzo di nuovi materiali che ne aumentano anche l’efficienza. Ma non bisogna pensare che la nano tecnologia significhi una mera diminuzione di dimensione, infatti il problema della precisione in questi nano sistemi ad esempio rappresenta un arduo confine da superare.

3.1.2.1 Macroattuatori

La classe degli attuatori è quella che ha subito minori evoluzioni dal momento della sua nascita.Gli attuatori classici sono di tipo idraulico, pneumatico ed elettrico, nella tabella successiva vengono messi a confronto gli attuatori convenzionali.

Fattore Elettrico Idraulico Pneumatico1. Sistema Base Logica a stato solido

Amplificatori di potenzaMotori DC o ACScatole a guantiRefrigeratori

Regolatore di pompa( pressione, temperatura,flusso)Filtri e Scambiatori di calore, Servovalvole,Motori, Accumulatori.

Compressore,Raffreddatore interstati, Controllo di PressioneFiltri, Asciugatori,Valvole, Attuatori, Muffole.

2. Principio di lavoro Elettricità Olio di grande qualità con additivi.Soluzioni a base d’acquaLiquidi Sintetici

Aria, AzotoProdotti di Combustione

3. Efficienza Oltre il 90% per grandi sistemi

Poco sopra il 60% Poco sopra il 30%

4.Suscettibilità alla contaminazione

Bassa:(rumore elettrico lineare

+/- 10% ) facilmente

gestibile RFI , rumore

facilmente trattabile con

filtri e schermi

Alta:i filtri richiedono manutenzione speciale.Le procedure di pulizia sono importanti. Le servo valvole si danneggiano facilmente

Intermedia:minori fastidi che con l’olio. Le gocce possono uscire fuori prima di raggiungere le valvole.Umidità e corrosione possono essere importanti

5. Rapporto Forza/ Peso Scadente:i motori devono gestire ogni sotto-sistema.Scarsissimo rapporto forza/ peso

Eccellente:massimo rapporto forza prodotta / peso

Accettabile:piccolo peso , o piccola pressione producono un rapporto forza / perso medio

6. Sicurezza Operativa Sistema molto sicuro bisogna solo considerare pericoli di shock elettrici o di terra.

Spillaggio di fluidi infiammabili. Alto rischio di incendio. La velocità dei getti di flusso può perforare la pelle , avvelenare il sangue o infiammare gli occhi.

Particelle volatili da rotturo possono essere molto pericolose. In presenza di oli volatili possono avvenire esplosioni.

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7.Sensitività alla Temperatura e Rimozione del Calore

Bassa sensibilità alla temperatura nel range operativo. Ma bassa dissipazione termica relativa all’idraulica

Sensibilità alla temperatura alta dovuta alla viscosità. Espansione termica differenziale può produrre malfunzionamenti transienti . rimozione termica eccellente agli scambiatori.

Sensibilità alla temperatura alta dovuta alla viscosità. Espansione termica differenziale può produrre malfunzionamenti transienti . la rimozione termica non è un problema perché il sistema può essere ventilato

8. Input di Energia Da 24 a 450 Volt Da 50 a 5000 PSI Da 5 a 500 PSI9. Suscettività alla variazione di peso

L’attrito all’output del motore può causare errori di steady state allo zero da piccoli ad intermedia grandezza

L’attrito all’output del motore può causare piccoli errori di steady state allo zero

L’attrito all’output del motore può causare gravi errori di steady state allo zero

10. Stifness del Sistema Ragionevolmente la stiffness del sistema dipende dal concetto di velocità di riduzione

La stiffness per molti sistemi è in risposta a grandi carichi

Sistemi molto soffici

Tab 32 valutazione comparata fra gli attuatori classici ( Mavroidis et al 1999)

Ad essi devono aggiungersi altri due tipi di attuatori, formati sulla base di tecnologie più moderne:metalli a memoria di forma e fluidi elettroreologici.Una evoluzione ad esempio per tutti, può essere quello dell’evoluzione messa a punto dall’università di Austin nel Texas che sta migliorando da più di venti anni lo stesso tipo di attuatore.Infatti in questa università, da circa venti anni, stanno migliorando un EMA Electro Mechanical Actuator basato su di un sistema open architecture.L’open architecture è di casa all’università del Texas essi infatti l’hanno applicata ai robot, alle celle di produzione, ai sistemi chirurgici, alla stazione spaziale, impinati nucleari, ecc da circa 40 anni. I blocchi basici dell’ open architecture di questo apperoccio è quello che essi definiscono attuatore standardizzato che usa un motore a riluttanza pienamente integrato può essere costruito con solo cinque parti essenziali .Esso per questa proprietà sembra essere più flessibile dell’attuatore Nabtesco abbondantemente usato in robotica.l’open architecture EMA è anche insensibile alla temperatura può esser prodotto a basso costo. In connessione con questo attuatore universale , che può essere proposto a tutte le dimensioni sono state standardizzate anche le interfacce fra le parti , per cui esso può essere usato con una sorta di plug and play meccanico ( montaggio agevolato) che ne permette la facile sostituibilità anche in caso di rottura.Un altro aspetto molto importante di questo attuatore rotante è che non solo egli non solo dirige l’articolazione del robot odel sistema , ma che esso stesso può funzionare da articolazione.Alfine di coprire la più vasta gamma di applicazioni e di dimensioni per questo attuatore bisogna scegliere il sistema di riduzione ( ingranaggio) più appropriato per ogni applicazione.Gli attuali range di riduzione vanno da 5-ad-1 fino a 6000-ad-1 ciò è possibile perché si usano semplici ingranaggi per la riduzione ( basti pensare che la best practice della Nabtesco va al massimo da 150-ad-1) pertanto questa tecnologia può di fatto soddisfare ogni applicazione.Di questo attuatore sono stati fatti numerosi prototipi diversi alcuni usati nella US Navy ad esempio questa unità produce un momento di 460000 Kg m e pesa circa la metà del precedente attuatore idraulico lineare , senza considerare la diminuzione di volume ottenuta, e riesce a muovere 100 automobili con un braccio di 3 metri.Nella figura successiva vengono mostrati i prototipi rappresentativi di questa classe di attuatori

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Fig 77 prototipi di attuatori EMA ( electromecanical actuators)

Attuali avanzamenti si stanno ottenendo in una tecnologia molto matura quale quella dei relè elettrici, nel campo dei Sensori quali i DMD i digital micromirrors device e negli elettropolimeriavanzati, o nell’utilizzo di materiali a memoria di forma per nuovi macroattuatori..Nel diagramma successivo vengono mostrate le attuali linee principali di R&D sugli attuatori

Diag.2 Sommario degli attuali trend negli attuatori (Suzumori 2005)

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Un campo ancora in evoluzione per i macro attuatori , che di fatto si fonda molto, per una sua ulteriore evoluzione sui nuovi nanomateriali, è quello dei muscoli artificiali utilizzati dai più svariati tipi di robot articolati, o prensili, o tattili.Nelle figure successive viene mostrato un macro attuatore basato su muscoli artificiali pneumatici utilizzati per un robot bipede.

Fig 78 attuatori muscolari pneumatici Fig 79 Robot bipede dotato di attuatori muscolari

Come per ogni branca della robotica moderna si stanno sviluppando di pari passo evoluzioni nella tecnologia macro ed in quella micro, mentre le ricerche sui nuovi materiali fa da feedback al sistema. Nella figura successiva è mostrato un micro robot azionato da gambe con muscoli

Fig 80 a, micro robot mosso da gambe dotate di muscoli Fig 80 b, particolare della gamba

Come altro possono essere usati i muscoli artificiali in microrobortica ?Ad esmpio come BBoottss SSoommmmeerrssii ccoonn mmuussccoollii ppllaassttiiccii cchhee ppoosssseeggggoonnoo ll’’aabbiilliittàà ddii pprreennddeerree uunnaa ssiinnggoollaacceelllluullaa iill mmeeccccaanniissmmoo ddii ccoonnttrraazziioonnee ddeeccoonnttrraazziioonnee ddeeii ppoolliimmeerrii èè aattttiivvaattoo ddaa IIoonnii ppoossiittiivvii ee nneeggaattiivviinneellllaa ffiigguurraa ssuucccceessssiivvaa vviieennee mmoossttrraattoo uunn mmiiccrroorroobboott ssvveeddeessee ffuunnzziioonnaannttee ccoonn qquueessttoo pprriinncciippiioo

Fig 81 Microrobot svedese con muscoli plastici

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Un altro esempio è il robot AAiirr RRuubbbbeerrttuuaattoorr ccaappaaccee ddii iissppeezziioonnii aa ssiisstteemmii ccoommpplleessssii ccoommee::AAeerreeii,, PPoonnttii ,, CCeennttrraallii nnuucclleeaarrii ccaappaaccee ddii ssuuppeerraarree oossttaaccoollii,, ppiiaannii iinncclliinnaattii,, ssccaallee ee ddii eeffffeettttuuaarree aanncchheemmoovviimmeennttii vveerrttiiccaallii.. NNeellllaa ffiigguurraa ssuucccceessssiivvaa èè mmoossttrraattoo uunn mmooddeelllloo ddii qquueessttoo rroobboott

Fig. 82 Air Rubbertuator

3.1.2.2 Micro-attuatori

I micro attuatori impiegano il moto di sistemi micromeccatronici, molti di essi sono stati sviluppati in questi ultimi anni come ad esempio:

1. microattuatori elettromagnetici2. microattuatori elettrostatici3. microattuatori piezoelettrici4. microattuatori orttici5. altri tipi di microattuatori

questi microattuatori sono prodotti, combinando tecnologie convenzionali con micro lavorazioni.Tuttavia pare opportuno sottolineare che vi sono grandi differenze fra il disegno teorico e le proprietà effettive del prototipo, per cui tali microattuatori non possono essere usati senza una precedente valutazione delle loro proprietà dopo la costruzione.In alcuni campi l’applicazione dei microattuatori ha necessariamente comportato il miglioramento, sia delle tecniche di progettazione, sia delle tecnologie di fabbricazione.Questo sforzo è stato reso necessario dall’imperativo di costruire sistemi tali da fornire microattuatori che producessero il moto previsto.Allo stato attuale, i microattuatori sono di fatto un campo meno maturo della microsensoristica, ciò appare legato alla mancanza sia di un’applicazione appropriata, sia all’ intrinseca difficoltà di poter accoppiare l’attuatore tout-court al mondo microscopico.Con l’andar degli anni alcune tecniche opportune sono state evolute in questo campo specifico.Lo stato attuale della tecnologia ha portato allo sviluppo di microattuatori basati oltre che sulle precedenti tipologie anche sui seguenti principi:

metalli a memoria di forma, EMFi, MSM, Chimici Acustici . Termici

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I micro attuatori usano elementi funzionali per convertire la tipica energia, loro adatta, in movimento o in energia meccanica.I microattuatori tipici usano un elemento piezoelettrico, oppure leghe magnetiche giganti (MGA) , o leghe a memoria ( SMA) , attuatori polimerici ecc.I tipici microattuatori, che attualmente sono reperibili con relativa faciltà sul mercato, sono mostrati nella tabella successiva tab.32In questa tabella multifunzionale i microattuatori vengono descritti, non solo con le particolari peculiarità di movimento attuate, ma anche con le risposte temporali, l’intensità delle forze generate e l’energia di attivazione.

TIPI DI MICROATTUATORI

SPOSTAMENTO RISPOSTA NEL TEMPO

F/M ENERGIA UTILIZZATA

Micromotore elettromagnetico

Rotazione 100 Hz 1mNm Corrente elettrica

Attuatore a spinta elettromagnetica

Lunghezza del solenoide

50Hz 10 mN Corrente elettrica

Micromotore elettrostatico Rotazione 1kHz 10pNm Voltaggio elettricoAttuatore elettrostatico tipo Quad

Gap fra gli elettrodi 500 Hz 10 mN Voltaggio elettrico

Attuatore elettrostatico tipo Comb

Lunghezza del Comb

500 Hz 0.2mN Voltaggio elettrico

Attuatore piezoelettrico sovrapposto

0.1% della lunghezza

100 kHz 5kN/cm² Voltaggio elettrico

Attuatore piezoelettrico biomorfo

1-5% della lunghezza

1 kHz 10N Voltaggio elettrico

Attuatore ottico sovrapposto (PLZT)

0.1% della lunghezza

1 Hz20kN/cm²

Raggi UV

Attuatore GMA 0.2% della lunghezza

1MHz 1kN/cm² Campo magnetico

Attuatore a fili SMA 3% della lunghezza 5Hz 10kN/cm CaloreAttuatore Polimerico 1-50% del volume 1-10 Hz 1N Calore , Corrente

Tab.33 Microattuatori e loro caratteristiche

Nelle figure successive vengono mostrati a titolo di esempio un micromotore ed un micromotore a reazione , prodotti nel campo della difesa o in quello spaziale.

Fig.83 Micromotore Fig.84 Micromotore a reazione

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3.1.3. Energia

Tutti i micro strumenti, come microattuatori, microsensori, e microprocessori, richiedono energia per funzionare ed usualmente per attivare questi microsistemi si utilizza l’energia elettrica.Per sviluppare i sistemi micromeccatronici è necessario non solo chiarire, ma anche definire quale tipo di energia debba essere utilizzata come energia di innesco per attivare questi sistemi e come essa debba essere fornita.Nei primi sistemi micromeccanici l’energia elettrica veniva fornita in modo classico, cioè attraverso alcuni cavi elettrici, ma questi cavi di collegamento ed alimentazione divengono essi stessi ostacolo fondamentale per ottenere la performance dei moderni sistemi, quando essi vengono miniaturizzati, poiché la resistenza del cavo diviene maggiore della forza attiva utilizzabile dal sistema,.ostacolandone in tal modo la funzione.Su questa base molte ricerche sono state volte ai sistemi di fornitura elettrica di microsistemi robotici, sensoristici o attuatori, e lo stato attuale dell’arte è il seguente:

1. fornitura di energia senza contatto, come mezzo di trasporto dell’energia vengono usati, acqua ed aria ad esempio campi magnetici o onde ultrasoniche.

2. fornitura di energia mediante una batteria, batterie tipiche per tali usi sono al Litio, Nikel-Cadmio ecc.Tuttavia la miniaturizzazione di queste sorgenti rappresenta ancora un ostacolo, in quanto l’energia chimica disponibile, dipende dalla grandezza della batteria.

Il disegno del microattuatore è deciso è definito anche in base al come ottenere l’energia fisica richiesta. Esistono infatti relazioni molto complesse tra le trasformazioni di energia come mostrato nella figura successiva..Al livello microscopico le trasformazioni energetiche per attivare i microattuatori, sono state profondamente studiate in modo da poter sviluppare una modalità efficiente di alimentazione opportuna di questi micro sistemi meccatronica. Le energie fondamentali considerate sono cinque:

1. ottica, 2. elettrica, 3. termica, 4. meccanica 5. chimica,

l’attuatore a livello microscopico è di fatto uno strumento che basandosi sulla conversione a livello microscopico delle energie prima individuate, in modalità opportuna per poter effettuare il suo compito primario, per cui è stato progettato.

104

Fig. 85 trasformazioni energetiche fra energie di base per i microattuatori

Come si è detto un altro importantissimo aspetto della microrobotica e dei microattuatori è l’effetto scala che deve esser tenuto in considerazione, sarà trattato con maggiori particolari nel paragrafo delle limitazioni dei microsistemi.Differenze e dimensioni fra macro e micro mondo causano differenze, sia nei fenomeni fisici, sia nel moto degli oggetti fra i due mondi. Nella tavola successiva vengono mostrate le dimensioni delle forze e l’influenza su di esse della miniaturizzazione che viene effettuata.Le tipiche forze sono mostrate nella tabella successiva non solo con le loro particolari peculiarità, ma anche con le invarianze di scala ad esse connesse in unione alle formule base applicate al moto che si desidera ottenere.

Energia Elettrica

Energia Chimica

Energia Termica

Energia Meccanica

Fotosintesi

Combustione

Fotoreazione

Pressioneluce

Luminescenzameccanica

Energia Ottica

Celle di combustibile

Elettrolisi

Attrito

Espansione termica

Esplosione meccanochimicaa

Calore elettrico

Sorgenti termiche

Effetto fotoelettrico

Elettro luminescenza

Vibrazioni lattice

Luminescenza termica

Effettopiezoelettrico

F E M

105

TIPI DI FORZE SIMBOLO EQUAZIONE EFFETTO SCALA

Forza elettromagnetica F magnetica

2 m

BS

L²μ=permeabilità B= campo magneticoSm = area della sezione

Forze elettrostatiche F statica 2

22

SV

d

L°

ε=permittività S= superficie V= voltaggio applicato d=gap fra gli elettrodi

Forza di espansione termica

F termica ( )L TeS

L

L²

e=modulo di Young L=lunghezza T=temperatura ΔL=strani S=superficie

Forza piezoelettrica F piezo ( )L EeS

L

L²

e=modulo di Young L=lunghezza E=campo elettrico ΔL=strani S=superficie

Forza inerziale Fi 2

2

xm

t

L

m=massa t=tempox=spostamento

Forza viscosa Fv S xc

L t

L²

c=coefficiente di viscosità S =superficie x=spostamento L=lunghezza t=tempo

Forza elastica Fe LeS

L

L²

e=modulo di Young L=lunghezza S=superficie ΔL=strain

Tab 34 Effetto Scala , dimensione delle forze

Il problema di scala è uno dei problemi fondamentali che i ricercatori e gli ingegneri si sono ritrovati a dover affrontare, nella progettazione e costruzione reale di microsistemi.Infatti a tali dimensioni si è dovuto riscontrare che, l’effettuazione reale di una costruzione, ha mostrato il limite spesso non noto delle conoscenze teoriche di cui disponiamo.Ad esempio se prendiamo in considerazione il flusso di corrente a livello di un nanorobot, si può facilmente vedere come è giaà stato dimostrato da Sze sperimentalmente nel 1990 e teoricamente da Wautlet nel 2001 che la legge di Ohm non vale in presenza degli elevati ( in senso relativo ) campi elettrici che possono svilupparsi a livello di nanosistemi.Infatti in un nanosolido in presenza di un campo elettrico piccolo E, se e è la carica dell’elettrone, n il numero di elettroni, μ la loro mobilità uguale a eλ/mv si ha la nota legge di Ohm:J en E E ove σ è la conduttività, ora nel caso di un nanosistema, se E cresce fintanto che λ (libero cammino medio ) rimane costante, allora τ (τ = λ /v) il tempo medio fra due collisioni decresce

in quanto aumenta la velocità ovvero:

12 2

0

2

1

v v E a

bEaE

sostituendo nella densità di

corrente elettronica si ottiene l’equazione:

0 (1 )j en bE E da cui si vede che mancando la proporzionalità diretta non vale la legge di Ohm ma

che la densità tende a saturarsi nel caso di b positivo ( Sze. High Speed Semiconductors Devices 1999).

106

3.1.4 Navigazione e controllo

Quello della navigazione e del controllo rappresenta uno dei punti cardine della strutturazione di un robot autonomo, in quest’ottica sia per robot terrestri, sia sottomarini , sia spaziali le tecnologie di avanguardia sono in possesso degli USA, mentre per la navigazione in ambienti strutturati lo scettro viene tenuto dall’Unione Europea che ha sviluppato molti robot di servizio , anche nell’ambito della demotica, mentre le esperienze acquisite in Australia hanno portato questo paese a sviluppare un know how avanzato nella navigazione e controllo di robot dedicati al sistema minearario e di carico e scarico di container.

3.1.4.1 Macro navigazione e controllo

Ovviamente i sistemi di controllo e navigazioni per robot a ruote sono diversi da quelli dei robot a locomozione articolata , anche se la filosofia base è la stessa il robot attraverso sensori opportuni deve catturare un’immagine dell’ambiente e degli ostacoli presenti che gli permetta di creare una mappa e su questa base deve essere in grado di muoversi con un certo grado di precisione nell’ambiente di attività.Nell’ambito del controllo uno degli attuali punti focali è la così detta “robustezza” * del controllo, ovvero il suo incremento, con lo scopo di ridurre le incertezze del sistema. I controlli classici (lineari) garantiscono questa robustezza solo su di un relativo piccolo range di incertezza. Questi limiti oggi si cerca sempre più di risolverli con l’applicazione di reti neurali specifiche, in modo che il sistema abbia un’ accettabile performance caratteristica, su di un ampio raggio d’incertezza. Nei robot uno dei problemi maggiori è l’individuazione corretta dei parametri del sistemaIl problema del controllo può essere considerato come un problema di riconoscimento di “traiettorie” , dove le “traiettorie” da esser riconosciute sono “variazioni” dei segnali ( es dei sensori) , che divengono segnali d’ “azione” per una specifica performance del sistema. Il controllo dovrebbe riconoscere ed isolare le “traiettorie” in tempo reale ed imparare dall’esperienza a riconoscere le variazioni non solo più velocemente , ma anche con dati mancanti .Allo stato attuale vengono usati controlli HDNL ( controlli ibridi, neurali ad apprendimento dinamico). Tali controlli sembrano più adatti a superare, sia la degradazione del dato dovuta al “rumore” , sia il problema dell’incompletezza dei dati .Una tecnica di macrocontrollo, molto interessante sviluppata in Giappone è la “Tele- esistenza” connessa con la RPT ( retroreflective projection technology ) .Questa è una tecnica complessa di interazione VR messa a punto da circa 20 anni e continuamente evoluta di pari passo all’evoluzione sia del software che dell’hardware in questo campo.In sintesi la TE era una tecnologia che permetteva di controllare oggetti remoti e comunicare con altri in un ambiente remoto con una sensazione di essere li in tempo reale, per mezzo di robot, computer remoti/locali ed interfacce cibernetiche per l’uomo.

*Robustezza = robustezza significa tolleranza all’errore in un sistema di identificazione e controllo ( o alle variazioni del sistema stesso nel tempo): anche se il controllo del sistema può essere leggermente errato, il movimento del robot dovrebbe risultare comunque stabile ( in linea teorica vicino all’ottimo).

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Attualmente essa è stata espansa fino ad includere la proiezione del soggetto in un ambiente virtuale generato dal computer ed anche l’uso di un ambiente virtuale per l’aumento dell’operatività del soggetto nell’ambiente reale.Nella figura successiva viene mostrata in forma compatta il concetto di telesistenza in ambiente reale, con la sua interazione con gli ambienti virtuali e l’ambiente reale visto attraverso l’ambiente virtuale

Fig.86 il concetto di tele-esistenza

Nelle figure successive mostriamo l’evoluzione di alcune applicazioni di questo tipo di controllo avanzato, nel campo della robotica.Di fatto esso è stato usato anche in molteplici altri campi da quello della chirurgia, fino a quello del camuffamento ottico.

Fig 87 surrogato di robot antropomorfico TELESAT 1988 Fig 88 TELESAR virtuale a lavoro 1993

Fig. 89 HRP Robot Umanoide 2000 Fig.90 Carlinga per controllo Umanoide 2000

108

3.1.4.2 Micro navigazione e controllo

Nel campo della micro robotica l’importanza del controllo e della navigazione di questi micro e robot , viene affrontato non in termini di mera scala ma con l’ausilio di tecnologie completamente differenti.Ad esempio con modelli neurali per controllare il moto delle gambe ( Miura ) essendo questo sistema più semplice ed adatto al moto dei micro robot , piuttosto che il classico controllo del moto che genera traiettorie con l’ausilio di un computer.Altra possibilità ad esempio per mezzo dei MOMEMS ( optical micro electro mechanical systems) sistemi micro con ottica a bordo dotati di microspecchi del tipo (a.k.a. o μ-microspecchi ) i primi hanno la capacità di riflettere e deviare il segnale ottico , mentre i secondi bloccano o meno il passaggio del segnale ottico in questione.

3.2 Nuove frontiere della robotica

L’area della ricerca e sviluppo nel campo della robotica è un campo in pieno fermento ove gli scontri concorrenziali tra i gruppi tecnologici nazionali e transnazionali divengono piuttosto accesi.Nella tabella seguente viene mostrato, in forma compatta, il risultato dell’ International Assessment of research aand development in robotica, portato a termine dal WTEC ( World Technology Evaluation Center ).

Grado o livello dell’attività AREAUSA Giappone Corea Europa

Ricerche di base e ricerche universitarie(individuali,gruppi e centri)

ooooo ooo ooo ooo

Ricerche applicate , ricerche industriali(laboratori nazionali, corporates)

oo ooooo oooo oooo

Iniziative o programmi di ricerca nazionali o multinazionali oo ooooo ooooo oooo

INPUT Partnership fra Università industrie e governi oo ooooo ooooo oooo

Veicoli robotici militari e civili oooo oo oo ooRobot spaziali ooo oo NA oooRobot umanoidi oo ooooo oooo ooRobot Industriali oo ooooo oo ooooRobot di servizio ooo ooo oooo oooRobot Casalinghi oo ooooo oooo oo

OUTPUT

Robot per applicazioni biologiche e biomediche oooo oo oo oooo

Tab .35 tabella di paragone R&D tra le nazioni Leder ( adattata da WTEC-2006 )

Questo studio ad esempio è stato portato avanti, sotto la sponsorizzazione della NSF ( National Science Fundation) e da molte altre agenzie governative americane e ricorda nell’introduzione le parole di Harry Truman che cinquantasette anni fa affermava che la vera sopravvivenza degli Stati Uniti dipendeva dalla continua leadership nel campo scientifico e tecnologico.Sulla base che gli USA avevano perso la preminenza mondiale nella robotica industriale circa alla fine degli anni 80 , a vantaggio del Giappone e dell’Europa ,lo scopo era stato quello di individuare i campi di preminenza nella ricerca dei paesi avanzati essenzialmente Giappone, Corea ed Europa.

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Nelle sue conclusioni, risultato di un’accurata analisi con visite anche ai laboratori dei vari paesi ”concorrenti”, viene riassunta lo stato dell’arte della ricerca mondiale in cui gli Usa mantengono la leadership nelle aree della navigazione in ambienti esterni, nell’architettura robotica vista come integrazione dei controlli struttura e capacità computazionale, inoltre nelle applicazioni spaziali, difesa, sistemi sottomarini, e qualche aspetto dei robot di servizio.Giappone e Corea hanno la leadership nella mobilità robotica, nei robot umanoidi ed in alcuni campi della robotica di servizio e nel trattenimento.L’Europa conserva la leadership nella mobilità robotica in ambienti strutturati, incluso il trasporto urbano, e nei robot di sostegno agli anziani e di uso casalingo, mentre l’Australia ha acquisito una leadership nelle applicazioni commerciali industriali dei robot da campo particolarmente nel carico e scarico e nel minerario con una crescente capacità di applicazione nei campi della navigazione e localizzazione.Sebbene le aree interessate dal programma di analisi americano della WTEC sono state molteplici come:

attuatori e meccanismi, controlli, intelligenza e capacità di apprendimento, interazione uomo –robot, sistemi multirobotici, robot umanoidi, applicati nei campi dell’educazione, divertimento, medicina e riabilitazione, militare, spaziale, sottomarino.

Lo scopo della ricerca in macrorobotica oggi è quello di tendere ad un robot intelligente che può considerarsi una interessante combinazione di manipolatori, sensori e di un controllo opportuno.Ovviamente l’uso di queste macchine a livello industriale, ad esempio, può migliorare la produttività, la qualità e la competitività del prodotto.Se fino ad oggi i robot industriali sono stati equipaggiati non solo con sistemi di controllo per la precisione del moto, ma anche con sensori come videocamere, scanner laser, sensori tattili che hanno permesso il loro utilizzo in un ambiente “semplice”o per compiti routinari, oggi con la presenza imprescindibile di un ambiente sempre più variabile, la necessità di sistemi intelligenti si è fatta sempre più impellente sia nell’industria che in ambienti strutturati come gli ospedali..Ma dov’è l’intelligenza in un robot intelligente? È nel design architettonico opportuno, nel controllo o nel contenuto? Se prendiamo gli uomini ad esempio allora l’intelligenza è nel controllo, infatti per l’uomo è nelle connessioni neuronali del cervello.In un robot classico l’intelligenza è invece definita in un modo pratico, essa è connessa ad una visione pragmatica definita spesso dal suo compito: se il compito è ripetitivo tale da produrre milioni di parti all’anno, allora basta la semplice automazione, pertanto il robot meglio automatizzato è anche intelligente in modo ottimale per quel caso. Se ad esempio l’ambiente è pericoloso allora è necessaria l’automazione e l’intelligenza può essere delegata ad un manipolatore remoto ed intelligente, infine se l’industria necessita di essere competitiva in costo e qualità allora v’è ancora bisogno dell’automazione e l’intelligenza del robot può svolgere un compito efficace nella progettazione del prodotto.In meccatronica la progettazione di un sistema è spesso basata su di una logica concorrente piuttosto che sequenziale, con l’uso della più avanzata tecnologia computeristica.I nuovi robot con lo sviluppo degli ultimi anni sono divenuti più rapidi, più piccoli, più precisi in questo campo ad esempio i robot ormai di fascia alta hanno l’abilità di ritornare ad uno stesso punto dello

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spazio con una ripetitività di ± 0.1 mm , i nuovi robot mobili sono anche molto più sicuri e gli standard di sicurezza per diminuire incidenti anche mortali si sono evoluti grandemente.È migliorata grandemente anche l’assemblabilità successiva ed oggi per alcuni robot è possibile trovare cataloghi con le opportune parti certificate che possono facilmente essere integrate al modello base rendendolo sia più intelligente, sia più versatile.

3.2.1 Robot RiconfigurabiliAncora più avanti in questo campo sono nati i robot modulari ed auto-riconfigurabili, che possono cambiare deliberatamente la loro forma, riassemblandosi in modo da adattarsi alle nuove necessità o ai nuovi compitiNormalmente i robot modulari sono costituiti da blocchi multipli (relativamente semplici) con un’interfaccia uniforme di assemblaggioI robot modulari auto-riconfigurabili sono sistemi classificati in funzione di gruppi architetturali di organizzazione geometrica delle loro parti modulari per cui avremo:

Architettura a Lattice – questi tipi di architettura hanno unità che si assemblano e si connettono in patterns regolari e 3D, come semplici griglie cubiche o esagonali.

Architettura a catena o albero – questi sistemi hanno un’architettura di connessione che permette di sviluppare una stringa o una topologia ad albero.

Architettura mobile – i sistemi ad architettura mobile sono più versatili e possono unirsi in catene , alberi o muoversi singolarmente in modo coordinato formando un network.

Riconfigurazione deterministica – questi tipi di sistemi sono spesso macrosistemi che si riconfigurano con le parti mobili collocate direttamente nel luogo di applicazione.

Riconfigurazione stocastica - questa architettura viene sviluppata da parti mobili che usano processi statistici ( come il moto Browniano) per incontrarsi attraverso traiettorie non ripetibili.

Nelle figure successive sono mostrati tre esempi di robot auto-riconfigurabili appartenenti ad architetture diverse .

Fig 91 architettura a catena ( Cornell University)

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Fig 92 Superbot UCI architettura a lattice Fig.93 Architettura stocastica Univ. Washington

Esiste anche un altro tipo di robot auto configurabili definiti in gergo tecnico NR ( Networked Robot) questo termine si riferisce a robot multipli operanti in coordinazione o cooperativamente.La cooperazione prevede che più unità lavorino insieme allo stesso compito coordinandosi tra loro ed anche con agenti umani o altri robot.I NR permettono a robot multipli o ad entità ausiliarie di effettuare compiti che sono ben oltre la capacità e l’abilità di ogni singola entità.Infatti in tutte le tipologie di NR ogni robot indipendente od ogni modulo può cooperare per portare a termine compiti che nessun singolo robot o elemento può effettuare.Una prima evidente capacità dei NR è quella di un aumento dell’efficienza del sistema che può ad esempio lavorando in parallelo, sulla base del coordinamento esistente, ottenere in tempo più breve informazioni diffuse. Forse , comunque il più grande vantaggio dei NR è quello di reagire ad esempio ad informazioni ottenute da altri robot mobili del network che si trovano in un altro luogo o in un’altra stanza.. Essi sono anche più resistenti ai potenziali malfunzionamenti progettuali, infatti avendo la capacità di riconfigurarsi dinamicamente attraverso il network .Ed infine essi possono sviluppare una grande sinergia associandosi ad altri componenti con capacità complementari in modo che l’insieme sia più efficace di ogni singola parte.Nella figura successiva viene mostrato un NR che si può riconfigurare in diversi sistemi di locomozione, come rotatorio, serpentino, quadrupedico ecc.

Fig 94 “Morph” NR ( networked Robot ) riconfigurabile

Anche la cosiddetta Open Architecture Control è entrata prepotentemente nella pratica attuale , per cui il sistema di sistemi di controllo è un set di funzioni logiche molto potenti che permette il monitoraggio automatico ed il controllo della struttura meccanica e permette la comunicazione con altri robot o sistemi nell’ambiente produttivo.

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3.2.2 L’Open ArchitectureL’ Open Architecture si riferisce al fatto che i software di servizio possono essere prodotti con diversi linguaggi o con diversi software proprietari rendendo di fatto molto più ampia e flessibile l’uso di questo miglioramento del robot .Nel campo della macrorobotica attuale l’avanzamento delle capacità “intellettive” del robot si basano su di una serie di conoscenze teoriche applicate derivanti dalla biomeccanica o dalla softweristica come la cinematica inversa utilizzata abbondantemente nello studio della locomozione o la dinamica inversa che è estremamente importante nei robot per saldatura in cui poiché il moto è retto dalla seconda legge di Newton, la soluzione dinamica deve essere anch’essa determinata nell’architettura del robot . La soluzione dinamica deve essere infatti usata nella progettazione e nel controllo del sistema. Può non apparire ovvio, ma non si può provare in via teorica che il controllo “ semplice “ di un robot manipolatore, sia definitivamente stabile.Infatti il sistema dinamico è non lineare e sottoposto a notevoli rumori che derivano da varie fonti.Pertanto oggi si usano criteri di stabilità pratica piuttosto che criteri di stabilità ottimale, con l’uso di una varietà di soluzioni algebriche predefinite.Il primo requisito verso l’intelligenza dei robot industriali è la loro dotazione di sensori visivi, nella loro progettazione la simulazione tridimensionale è un potente mezzo di controllo di qualità, spesso vengono simulati anche movimenti del robot progettato, movimenti che il codice generatore dei programmi del robot traduce automaticamente in programmi che vengono scaricati direttamente come programmi del robot in questione.Per ottenere performance più evolute , può esser necessario anche un maggior grado di capacità di comprensione da parte del robot, recentemente in questo campo sono state proposte teorie conoscitive come la critica adattiva. In questo tipo di tecnica la critica fornisce una categoria al controllo del modulo di azione di un robot, questa critica può esser considerata un programma istruttore, un manager d’impianto, un supervisore di linea o qualità, o in ultimo la critica può essere il cliente finale, allora il controllo di qualità può modellare la richiesta del cliente e usare il modello per progettare e produrre l’operazione richiesta al robot , il superamento di tale approccio è basato sul così detto controllo creativo.In questi ultimi tempi diversi tipi di controllo intelligenti sono stati sviluppati e messi a punto per rendere sempre più versatili i robot sia nel mondo industriale che in quello di servizio nella successiva vengono indicati i controlli intelligenti più usati attualmente in robotica.

1 Controllo supervisionato

Un controller istruibile che permette risposte in funzione dell’input sensoriale

2 Controllo diretto inverso

Il controller è istruito per la dinamica inversa del robot

3 Controllo neurale adattivo

Il controller adattivo è combinato con una rete neurale il risultato è grande una grande efficacia e l’abilità a gestire la non linearità

4 Retro propagazione di utilità

Si basa su di un flusso informativo che fluisce indietro nel tempo

5 Metodo critico adattivo

Usa una valutazione critica della performance del robot durante il suo allenamento

6 Controllo creativo È basato su di un controller con capacità di auto iniziativa e correzione dell’azione

Tab 36 vari tipi di controller intelligenti usati attualmente nella robotica industriale e di servizio

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Un campo in pieno sviluppo attualmente è quello dei “droni” veicoli aerei in genere non armati che vengono usati per missioni di sorveglianza e controllo aereo dei territori., come mostrato nelle figure successive, mentre la ricerca universitaria si sta applicando alla robotizzazione degli elicotteri come mostrato in fig.97 .

Fig 95, 96 Droni militari americani Fig 97 Elicottero robot

E dei veicoli autonomi terrestri , marini e spaziali , alcuni esempi di robot US ed europei, sono mostrati nelle figure successive

Fig.98 veicolo robotizzato Fig.99 Robot spaziale Fig.100 Robot sottomarino

Ma la robotica macroscopica, anche nella sua finalizzazione ormai pluriennale, pur essendo un campo di tecnologia culturale così detto “maturo” è inusitatamente ancora in evoluzioneNella robotica moderna avanzata, infatti vi sono ancora zone culturali che appaiono a tutt’oggi non completamente determinate , la ricerca in certe aree, infatti, può anche essere ancora indefinita addirittura a livello di meta –problema., come ad esempio nel caso classico del disegno aperto di un robot.

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3.2.3 La robotica evoluzionistica o aperta

La robotica evoluzionistica ( detta anche Aperta) si basa su progettazione di robot formati da una serie di “blocchi” base che dotati di una serie di capacità devono esser assemblati in modo tale da raggiungere un più alto livello di funzionalità.Purtroppo ammesso che si conosca la fisica di ogni componente ed il suo comportamento fisico-meccanico, si conosca anche tutto l’insieme dei pezzi utilizzabili, e come essi possano essere interconnessi, il problema risiede nel come determinare la combinazione migliore che possa fornire la funzionalità desiderata.In realtà sebbene il problema sembri un facile processo di ottimizzazione non esiste un modello formale o una teoria completa che ne permetta la soluzione, o che indichi come questa sintesi possa esser fatta.Il problema in robotica è quello di macchine che possono progettare altre macchine, ma le stesse difficoltà sìincontrano in tutte le discipline ingegneristiche: circuiti , software,strutture, controlli , MEMS, solo per considerarne alcuni.È interessante notare che in questo campo l’ingegneria ha attinto molte idee dall’adattamento evoluzionista dei sistemi biologici, per ispirare alcuni metodi sintetici computazionali.Questi sistemi e metodologie sono stati applicati a molti sistemi meccatronica, ma nel seguito espliciteremo alcune di queste metodologie che sono state applicate nella progettazione di macchine elettromeccaniche come i robot ed in particolare come i robot dotati di gambe.Molti robot sono spesso visti come strutturati di due parti importanti la morfologia ed il controllo: la morfologia è la struttura fisica del sistema ed il controllo è un’unità separata che governa il comportamento della morfologia attivando gli attuatori e valutando i dati ottenuti dai sensori.In realtà questa divisione è meramente semantica molto spesso una particolare morfologia gestisce certi controlli ed il controllo è incorporato nella morfologia , comunque la divisione appare utile in termini pedagogici, per descrivere l’applicazione della progettazione evoluzionaria ai sistemi robotica e meccatronica.È più semplice , sia concettualmente , sia tecnicamente esplorare l’applicazione di tecniche evoluzionistiche nella progettazione dei controlli dei robot prima di vedere il loro uso nella progettazione e nell’evoluzione della morfologia del robot.In termini generali il controllo di un robot può esser descritto in molteplici modi:

1. come funzione logica.2. come macchina a stato finito3. come programma4. come insieme di equazioni differenziali5. come network neurali

tanto per nominarne i modi più diffusi. Nolfi e Floreano descrivono molti interessanti controlli evolutivi per robot con ruote, anche interessanti appaiono i controlli evolutivi dei robot con gambe nella figura successiva viene mostrata l’evoluzione di un controllo per una morfologia fissavediamo così che la morfologia della macchina contiene quattro gambe, attuate con otto motori, quattro sensori di pressione al suolo, quattro sensori angolari e due sensori chimici (a).il sistema è controllato da un network neurale ricorrente i cui input sono connessi ai sensori ed i cui output sono in connessione con i motori (b). il progresso evolutivo mostra come l’errore di allineamento si riduce con le generazioni successive (c) . la traccia bianca mostra il moto del sistema verso la zona ad alta concentrazione ( zona nera) la traccia nera è il moto del sistema in cui i sensori chimici sono stati disattivati. (d).

115

(a) (b)

(c ) (d)

Fig.101 evoluzione di un controllo per una morfologia fissa

Interessante sono stati anche gli studi di Karl Sims volti ad esplorare l’idea di un robot evoluzionistico quasi completamente libero da vincoli , altri lavori sono stati sviluppati su questa scia alla Cornell University, per valutare una macchina fisicamente realizzabile partendo da un blocco unitario di partenza veramente molto semplice come ad esempio un solo neurone con elementi in una dimensione nella figura successiva si vede uno spazio formato da attuatori lineari ed un controllo formato da singoli neuroni, tutto ciò è stato usato come singoli blocchi della struttura e del controllo.Le barre connesse con le giunture libere possono potenzialmente formare delle travature che rappresentano strutture rigide,articolate e flessibili o molti sistemi staccati o emulare giunture lineari e planari a vari livelli di gerarchia. In modo analogo neuroni sigmoidei possono essere connessi per creare architetture di controllo.Le barre sono connesse le une alle altre attraverso giunture sferiche, i neuroni sono connessi da strutture sinaptiche che si collegano fra loro ed alle barre, in tal caso le lunghezze delle barre sono governate dall’output neuronale mediante un attuatore lineare.Nella fig 102 è mostrato in forma pittorica il funzionamento concettuale di base di un tale robot, invece in Fig. 102 a) viene mostrata un’intera generazione di individui differenti, in Fig 102 b) gli alberi filogenetici di due evoluzioni che mostrano la nascita di nuove specie le massiccie estinzioni di modelli non ottimali, in Fig.102 c) fitness verso generazione di un “run” genetico, ogni punto è un robot . in Fig 102 d ) la simulazione dell’evoluzione di tre robot; in Fig 102e ) i tre robot reali ottenuti dalla prototipazione rapida di quelli generati e mostrati in Fig.102 c)

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(0) (a)

(b) (c)

(d)

(e) Fig. 102 (a,b,c,d,e) autogenerazione di robot

117

3.2.4 Intelligenza swarm

In tempi recenti biologi ed informatici specialisti in “vita artificiale” hanno studiato come modellare uno “swarm behavior” per comprendere come gli animali sociali come le api, formiche, daphnya ecc possano interagire, ottenere risultati ed evolversi.Anche gli ingegneri sono sempre più interessati a questi tipi di comportamento swarm , in quanto questo tipo d’ ”intelligenza swarm” può essere applicato all’ottimizzazione di sistemi complessi come : le telecomunicazioni, la robotica, andamenti di traffico, trasporti ecc.Lo swarm robotico è attualmente uno dei più importanti campi di applicazione della “ swarm intelligence” .Lo swarm fornisce la possibilità di migliorare il compito della performance di gruppo, di alta affidabilità , con unità di bassa complessità e di costi più bassi rispetto ad un sistema robotico tradizionale capace di svolgere il medesimo compito.Inoltre uno Swarm è capace di compiere alcuni compiti di fatto impossibili ad un solo robot .Lo swarm può essere applicato a molti campi della robotica , come: sistemi di manifattura flessibile, costruzioni spaziali, ispezioni/manutenzioni, costruzioni, agricoltura e medicina.Nel tempo sono stati proposti molti modelli di swarm; Beni ha introdotto il concetto di sistema robotica cellulare, che consiste in un insieme di robot autonomi, non sincronizzati, non intelligenti, cooperanti in uno “spazio cellulare” sotto un controllo distribuito.Comunicazioni limitate sono permesse solo tra robot adiacenti, questi robot possono operare autonomamente e cooperare con gli altri per portare a termine un compito globale.La strategia di controllo globale usata da Brooks è abbastanza ben nota agi addetti ai lavori ed è stata applicata a gruppi di robot semplici ed indipendenti, normalmente per compiti semplici.Se si introduce anche una intercomunicazione fra i robot dello swarm allora possono essere affrontati compiti anche molto più complessi.In effetti sarebbe errato considerare lo swarm semplicemente come un network di agenti indipendenti, esso è più simile ad un network riconfigurabile di agenti comunicanti capaci di sensorialità comune coordinata e di interazione con l’ambiente circostante.Nelle figure successive ( Fig. 103 a,b,c,d,e,f,g,h ) vengono mostrate proprio le capacità di uno swarm di comportarsi come un network riconfigurabile di agenti comunicanti, nell’ambito della formazione di un’orbita stabile di un gruppo di robot dotati solo di sensorialità locale

Fig.103 a,b,c,d,e,f,g,h formazione di un orbita stabile di uno swarm

Nell’ottica dei sistemi robotici autonomi decentralizzati le due aree che hanno ricevuto maggior attenzione sono quella dell’evoluzione di un comportamento di gruppo e quella del conseguimento di un compito mediante comportamento di gruppo, che possono essere classificate nell’area degli studi della

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intelligenza artificiale distribuita, poiché diversi agenti si coordinano o cooperano per prendere una decisione.Nel tempo sono stati proposti molti modelli di ottimizzazione per il comportamento dello swarm ad es: Fukuda e collaboratori hanno introdotto un algoritmo genetico distribuito per pianificazioni distribuite in un sistema robotica cellulare di Beni.Essi hanno anche proposto il concetto di “autoidentificazione” per il potere decisionale e mostrato le strategie di apprendimento ed adattamento.Nell’appendice III viene mostrata un esempio di soluzione del problema dell’ analisi e modellazione matematica di uno swarm robotico.

3.2.5 Micro Robot

Durante gli ultimi 10 anni i robot, sia industriali, sia di servizio sono diventati via, via sempre più piccoli. Ed i prezzi sono diminuiti di un ordine di grandezza., le forze portanti di questa rivoluzione sono stati il basso costo della potenza di calcolo e l’accresciuta capacità d’integrazione di sensori ed attuatori.Il disegno progettuale dei robot è strettamente connesso ai processi: costruttivo, di assemblaggio e d’integrazione, ove per integrazione deve intendersi le capacità di integrarsi all’ambiente strutturato e di connettersi all’impianto elettrico esistente.Nel campo della microrobotica i maggiori costi sono legati, allo stato attuale, alla capacità d’integrazione che grava sul costo totale in alcuni casi fino al 60% del costo degli stessi componenti.In questo campo di notevole importanza alla divisione di microrobotica del CSEM partner del MCCS (Micro Center Central Switzerland ) Si stanno portando avanti progetti per sviluppare tecnologie atte ad ottenere l’assemblaggio automatico dei MEMS Micro Electro Mechanical System e dei MOEMS, Micro Optical Electro Mechanical System come i seguenti tre:

Advanced Robot Technology for Microassembly Packaging of Optoelectronic Devices Packaging of Microfluid Devices ( Biosensor Packaging)

Nel campo della microrobotica avanzata le ricerche si sono anche indirizzate verso nuove conoscenze di base, come la ricerca di nuovi principi fisici capaci di generare feedback adattativi da applicare a nuovi materiali da utilizzare nel campo della microrobotica. tattile ( Vedi Appendice1 ). Per cui si sono analizzate le possibilità di sfruttare principi fisici non meccanici , come ad esempio i campi elettrici o magnetici, o nuovi materiali meccanicamente attivi come polimeri,gel, muscoli artificiali o attuatori biomolecolari, la base di queste ricerche avanzate è una scienza antica molto vicini a noi: la biomeccanica.

3.2.5.1 Biomeccanica del tattoQuesta area di ricerca si concentra sulla percezione umana del tocco di un oggetto, o meglio di unasuperficie.Si cerca innanzi tutto di modellare le caratteristiche della pelle umana in termini di resistenzaalle pressioni, elasticità, deformabilità, ecc.la pelle infatti è una struttura a layer molto complessa dotata di particolarità notevoli.Il polpastrello è il primo punto di contatto tra gli oggetti e la percezione che ne ricaviamo, ed èimportante capire come le deformazioni che esso subisce al contatto vengono tradotte in impulsi nervosiconoscitivi.Oggettivamente quello che si percepisce non è l’oggetto in sé, ma la deformazione e la pressione rilevata dal polpastrello, il quale ha le sue caratteristiche statiche e dinamiche che non sono lineari.

119

Ad esempio, è stato provato che la compressibilità del polpastrello varia con la pressione esercitata secondo una legge non ancora definita. Oppure che la variazione di volume del dito a seguito di uno stimolo sinusoidale presenta una isteresi, e che a parità di intensità della vibrazione la variazione di volumetrica aumenta nel tempo. Non è ancora stato spiegato il legame di queste non linearità con la frequenza dello stimolo.Per effettuare questi esperimenti è stata utilizzata una telecamera con microscopio a ingrandimento variabile, per poter riprendere l’intero polpastrello o solo un dettaglio dell’impronta digitale. Digitalizzate le immagini, e utilizzando uno stimolatore tattile molto preciso basato su un motore passo-passo. Si è scoperto in tal modo che la superficie del polpastrello consiste di “isole discrete” sensibili allo stimolo tattile, identificabili con le linee dell’impronta digitale, dal momento che la variazione della risposta tra una zona di contatto con l’oggetto e una libera è discontinua. Inoltre, a parità di area di contatto complessiva, l’area di contatto reale (con le ‘creste’ di separazione delle isole) varia con oggetti di cedevolezza differente.Per modellare la struttura interna sono stati usati i risultati di risonanze magnetiche, si sono ottenuti modelli di vario tipo, 2D e 3D, alcuni anche Browniani, che simulano un materiale elastico a molti strati di materiali elastici, o di involucri contenenti fluidi.Poi sono stati testati con stimolatori di varie forme (cilindriche, rettangolari, più punti contemporaneamente), stimoli statici, periodici e aperiodici con diverse forme d’onda (sinusoidali, denti di sega), e in generale si è trovata una buona corrispondenza tra i test effettuati e la predizioneottenuta dal modello. Per il confronto del modello con la situazione reale si è disegnata su un polpastrello una griglia di punti. Dall’immagine digitalizzata si è rilevato lo spostamento dei punti per risalire alladeformazione della cute in seguito allo stimolo come si evince dalle figure successive

Fig.104 Biomeccanica tattile del polpastrello Fig.105 Apparato sperimentale

Il tecnologo NASA Vladimir Lumelsky sta lavorando ad una tecnologia robotica avanzata per conto del Goddard Space Flight Center nel tentativo di sviluppare capacità critiche nel campo dell'esplorazione spaziale. In particolare, Lumelsky sta cercando di sviluppare nelle sue “creature” una sensibilità quasi-umana in risposta all'ambiente in cui si trovano immersi. Lo sviluppo di tale tecnologia, chiamata “High-Tech Skin”, è considerata essenziale per il futuro dell'esplorazione spaziale perchè consentirà a robot e umani di lavorare a stretto contatto nelle più svariate condizioni. “I robot si muovono egregiamente per proprio conto soprattutto quando non incontrano nniente lungo il cammino”, dice Lumelsky. Ma quando l'ambiente muta e sorgono degli ostacoli, cominciano i problemi. “Dobbiamo insegnargli a reagire di fronte a ciò che non conoscono, i robot attuali ancora non possono farlo”, spiega Lumelsky.

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Fig 106 Pelle Artificiale NASA

Sebbene si siano compiuti notevoli progressi nel campo della visione artificiale, non è ancora sufficiente. “Gli umani possono sopravvivere anche senza la vista, ma non senza il senso tattile. La pelle è l’organo più grande ed uno dei più importanti del nostro corpo. E potrebbe esser vista come un vasto

sensore. L'idea, dunque, è di fornire il robot di una “pelle sensorizzata” con cui ricoprire il corpometallico provvista di un migliaio di sensori agli infrarossi in grado di rilevare gli oggetti circostanti e

convogliare le informazioni al cervello del robot, che provvederà ad elaborarle nel giro di qualche millisecondo. Nella Tab 34 viene mostrata la tabella riassuntiva della valutazione dei principi fisici da

utilizzare in microrobotica per la messa a punto di uno strumento tattile.

Principi fisici

Praticabilitàimplementazionetecnica

Forza Range di Estensione Della forza

Risposta In frequenza

Diversifi-cazione

Dinamica totale class

peso 10% 30% 15% 20% 15% 10% 100%Gravitazione 3 0.3 1 0.3 2 0.3 1 0.2 1 0.15 2 0.2 1.45 40Accelerazione 2 0.2 2 0.6 2 0.3 2 0.4 2 0.3 2 0.2 2.00 17Impulso 2 0.2 2 0.6 1 0.15 2 0.4 1 0.15 2. 0.2 1.70 35F. Galleggiamento 1 0.1 1 0.3 3 0.45 1 0.2 1 0.15 1 0.1 1.30 45F. Centripeta 1 0.1 3 0.9 2 0.3 2 0.4 2 0.3 2 0.2 2.20 15F. di Coriolis 1 0.1 3 0.9 1 0.15 2 0.4 1 0.15 2 0.2 1.90 25Peressione jet 3 0.3 2 0.6 4 0.6 3 0.6 3 0.45 2 0.2 2.75 8Rimbalzo 3 0.3 2 0.6 4 0.6 3 0.6 3 0.45 2 0.2 2.75 8F. di Coulomb 1 0.1 3 0.9 1 0.15 1 0.2 1 0.15 2 0.2 1.70 35Effetto capacitore 3 0.3 1 0.3 2 0.3 3 0.6 2 0.3 3 0.3 2.10 16Dielettrico in un campo non omogeneo

3 0.3 1 0.3 2 0.3 2 0.4 2 0.3 2 0.2 1.80 30

Dielettrico in un campo omogeneo

3 0.3 1 0.3 3 0.45 2 0.4 2 0.3 2. 0.2 1.95 23

Fluido Dielettrico in un campo elettrico

1 0.1 1 0.3 2 0.3 2 0.4 2 0.3 2 0.2 1.60 38

Piezo 3 0.3 4 1.2 1 0.15 3 0.6 2 0.3 3 0.3 2.85 8Elettrostrizione 3 0.3 4 1.2 4 0.6 2 0.4 2 0.3 3 0.3 3.10 3Fluidi elettroreologici 3 0.3 3 0.9 3 0.45 3 0.6 3 0.45 3 0.3 3.00 4Elettromagnete 2 0.2 4 1.2 1 0.15 1 0.2 1 0.15 1 0.1 2.00 17Magnete permanente 2 0.2 4 1.2 1 0.15 1 0.2 1 0.15 1 0.1 2.00 17Correnti parassite 1 0.1 1 0.3 3 0.45 2 0.4 2 0.3 2 0.2 1.75 32Forza di Lorentz 2 0.2 1 0.3 3 0.45 2 0.4 2 0.3 2 0.2 1.85 27Induzione elettromagnetica 3 0.3 1 0.3 3 0.45 2 0.4 2 0.3 2 0.2 1.95 23Campo magnetico di una corrente

2 0.2 1 0.3 2 0.3 3 0.6 2 0.3 3 0.3 2.00 17

Materiale Dia/paramagnetico

2 0.2 1 0.3 3 0.45 2 0.4 2 0.3 2 0.2 1.85 27

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in un campo non omogeneoEffetto Elihu Thomson 2 0.2 3 0.9 3 0.45 1 0.2 1 0.15 1 0.1 2.00 17Magnetostrizione 3 0.3 4 1.2 3 0.45 3 0.6 2 0.3 3 0.3 3.15 2Fluidi magneto reologici 3 0.3 3 0.9 3 0.45 3 0.6 3 0.45 3 0.3 3.00 4Osmosi 1 0.1 3 0.9 2 0.3 1 0.2 2 0.3 1 0.1 1.90 25Effetto capillare 1 0.1 1 0.3 2 0.3 2 0.4 2 0.3 2 0.2 1.60 38F. adesiva 2 0.2 3 0.9 1 0.15 1 0.2 1 0.15 1 0.1 1.70 35Pressione acustica 2 0.2 1 0.3 3 0.45 3 0.6 3 0.45 3 0.3 2.30 12Pressione di radiazione elettromagnetica

2 0.2 1 0.3 3 0.45 3 0.6 3 0.45 3 0.3 2.30 12

Forza elastica 3 0.3 4 1.2 3 0.45 3 0.6 3 0.45 3 0.3 3.30 1Espansione termica 2 0.2 3 0.9 1 0.15 1 0.2 2 0.3 1 0.1 1.85 27Striscia bimetallica 1 0.2 2 0.3 1 0.1 1.80 30Espansione termica di un fluido

1 0.1 3 0.9 1 0.15 1 0.2 2 0.3 1 0.1 1.75 32

Compressione adiabatica 1 0.1 2 0.6 4 0.6 2 0.4 3 0.45 2 0.2 2.35 11Compressione isocora 2 0.2 2 0.6 1 0.15 1 0.2 1 0.15 1 0.1 1.40 44Attrito di slittamento 3 0.3 2 0.6 1 0.15 2 0.3 3 0.45 2 0.2 3.00 17Resistenza in un flusso laminare

1 0.1 1 0.3 3 0.45 1 0.2 2 0.3 1 0.1 1.45 40

Resistenza in un flusso laminare in un tubo

1 0.1 1 0.3 3 0.45 1 0.2 2 0.3 1 0.1 1.45 40

Resistenza in un flusso turbolento

1 0.1 2 0.6 3 0.45 1 0.2 2 0.3 1 0.1 1.75 32

Sollevamento 2 0.2 3 0.9 3 0.45 1 0.2 2 0.3 2 0.2 2.25 14Effetto Magnus 1 0.1 1 0.3 3 0.45 1 0.2 2 0.3 1 0.1 1.45 40F. Pneumatica 3 0.3 3 0.9 3 0.45 3 0.6 3 0.45 3 0.3 3.00 4Metalli a memoria di forma 2 0.2 4 1.2 3 0.45 1 0.2 2 0.3 1 0.1 2.45 10

Tab. 37 valutazione dei principi fisici per uno strumento tattile ( IST 2001)

Anche nei robot medici i sensori tattili che risultano di fondamentale importanza , sono stati ultimamente introdotti addirittura in termini di feedback come il caso del Robot Da Vinci a cui i ricercatori del Johns Hopkins stanno tentando di evolvere aggiungendo il senso del tatto addirittura in termini di feedback Specificamente Allison Okamura un ingegnere associato del Johns Hopkins uno dei maggiori esperti mondiali di sistemi d’ interazione uomo macchina, attualmente si sta applicando a costruire sistemi meccanici che permettono di far sentire all’operatore la sensazione tattile.E sta connettendo tali sistemi al Robot chirurgico da Vinci già operativo in molti ospedali per interventi cardiaci ed alla prostata, in modo che il chirurgo operatore possa avere la sensibilità tattile nel corso dell’intervento.

Fig 107 Allison Okamura ed il sistema tattile applicato al robot da Vinci

122

Un’area poco nota di sensibilità della microrobotica è data dalla sua dipendenza dalle condizioni ambientali come: temperatura ed umidità che possono influenzare le forze di adesione, gli stessi materiali e le proprietà microtribologiche dei microcomponenti del sistema.Per poter avere una completa comprensione delle tecnologie di microassemblaggio è essenziale prima che si studi l’influenza di tali condizioni i sui processi di montaggio del sistema..Molti micro robot autonomi sono stati sviluppati in questi ultimi anni, come la serie “Monsieur” prodotta dalla Seiko Co. Ltd. Questi robot, ad esempio, consistono di due piccoli motori a step ( le stesse strutture si usano negli orologi al quarzo) due sensori ottici e due batterie ricaricabili con un microprocessore che gestisce il sistema.Un rappresentante della serie di microrobot Monsieur è formato da 98 parti in un centimetro cubico si muove lungo una traccia luminosa e può memorizzare il suo moto e trascriverlo, questo robot è costruito con tecnologia convenzionale ed assemblato come un orologio.MARS è invece un microrobot autonomo costruito dalla Fukuda .MARS consiste in un MPU che include un microprocessore, due motori a step diversi sensori, unità di comunicazione,batterie ed interfacce. MARS può effettuare diversi moti in funzione di un programma scaricato da un operatore.Microrobot delle dimensioni di 49x27x28 mm o 27x15x12 mm dotati di motori lineari PM una sono usati per la misura di superfici metalliche di qualsiasi inclinazione e se dotati di una punta di diamante per il taglio di precisione di pareti di materiale ferromagnetico.Per il moto in piccoli tubi sono stati progettati microrobot “vermiformi “ composti da molte unità che possono allungarsi o restringersi opportunamente, mediante un FMA ( attuatore micro flessibile ) di gomma .Altri micro robot autonomi sono progettati per “nuotare” in un liquido, altri per muoversi nel corpo umano, altri per camminare sui soffitti o sui muri verticaliNella figura successiva viene mostrato un microrobot magnetico messo a punto dall’università di Zurigo

Fig.108 Microrobot ETH (Zurigo) guidato magneticamente in vivo

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3.2.5.2 Lo stato mondiale delle micromanifatture

Lo stato mondiale delle micromanifatture è stato analizzato da uno studio congiunto del NIST, del DOE, dell’ ONR, e dell’ NSF (2006-2007) con i seguenti stupefacenti , ma anche molto interessanti risultati ( riguardo al trend futuro…) , come mostrato nella tabella seguente

NazioniAttività US Giappone Taiwan Corea EuropaFondi governativi per micromanifatture

0 0000 0000 000 00000

Stato delle tecnologie per le micromanifatture

00 00000 0000 000 00000

PartnershipIndustria/Università/Governo

0 000 000 0000 00000

Nanotecnologie 00000 0000 00 0 000

Tab.38 Stato mondiale delle micro – manifatture (WTEC 2006 )

La divisione dei fondi per le nanotecnologie negli Stati Uniti suddivisa per le varie agenzie governative è mostrata nella tabella seguente suddivisa anche in campi di applicazione finanziati.

Tab 39 Finanziamenti US per le nanotecnologie delle agenzie governative (NSTC 2005)

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3.2.5.3 Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) - limitazioni

La tecnologia MEMS può essere usata per produrre strutture, strumenti e sistemi di scala micrometrica.Un MEMS rappresenta la combinazione di semiconduttori, processi e di ingegneria meccanica sin scala molto piccola, essa rappresenta una delle punte d’avanguardia della tecnologia attuale conosciuta come MST ( microsystem technology) in Europa e MM ( micro machines ) in Asia .Tipicamente i MEMS variano fra il manometro ed il centimetro.In effetti i MEMS sono l’integrazione di elementi meccanici come sensori ed attuatori con l’elettronica su di un substrato comune di silicone.Con i MEMS di fatto possono essere costruiti microrobot se ad essi ad esempio vengono assemblate gambe o ruote.Spesso all’interno di un millimetro cubico, usando la migliore tecnologia disponibile di batterie, l’energia totale disponibile è dell’ordine di 1joule, pertanto l’energia è attualmente è la risorsa più preziosa ed anche critica.Considerando gli ordini di grandezza un microprocessore ottimizzato consuma circa 1 nano-joule per operazione, mentre un chip per comunicazione con radiofrequenza Bluetooth consuma circa 100 nano-joule per bit trasmesso.Così un microrobot che cammina può consumare solo una decina di microwatts della potenza generata da una cella solare posta su di esso , ma può trasportare circa 130 volte il suo peso.Tipicamente un MEMS è prima disegnato con un CAD, ad esempio la tecnologia messa in piedi dalla MEMSCAP Inc. vi fornisce un sistema che permette all’utilizzatore di disegnare un sistema MEMS, di ottimizzarlo, di simularlo, di verificarne la funzionalità, e di generarne infine il layout.Sfortunatamente il costo un sistema di microfabbricazione MEMS è ancora proibitivo per molte università, o centri di ricerca ed anche piccole e medie industrie.Nelle figure successive (fig.109 a,b,c,) vengono mostrate alcune apparecchiature industriali adatte alle microfabbricazioni

Fig 109 a,b,c macchine industrializzate per la microfabbricazione di microsistemi

Il problema è connesso al fatto che molte parti devono esser fuse ad hoc , per il sistema in costruzione , altra soluzione è quella della fabbricazione di un MEMS su di un substrato che spesso porta circuiti e controlli in se.Questa soluzione di unione di tecnologia MEMS ed IC è certamente più commerciale ed a buon prezzo, tanto che alcuni sistemi MEMS sono stati prodotti in grandi volumi quantitativi ( circa 2 milioni di pezzi).Le problematiche connesse con la miniaturizzazione di un sistema sono profondamente legate alla buona comprensione delle proprietà di scala del meccanismo di traduzione, del disegno, dei materiali e del processo di fabbricazione in se stesso.Poiché un MEMS può essere migliaia di volte più piccolo di un suo analogo macro non si può pensare ad esempio di trasferire il suo disegno direttamente a scala micro.

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Secondo ricercatori dell’università di Berkeley la performance di un MEMS è inversamente legata alla dimensione, ad esempio la sensibilità di molti sensori decresce, anche se la loro frequenza di risposta può essere migliorata.In generale si può affermare che tutti i MEMS hanno un limite di dimensione dovuto al fatto che devono essere insensibili o non capaci di interagire davanti a fenomeni particolari ( es l’agitazione termica) Il limite fondamentale di molti sensori in sistemi MEMS appare proprio il rumore termico, che ad esempio è invece sorgente attiva per i motori miosinici. Infatti come è ben noto dalla biomeccanica muscolare i motori miosinici sono motori progressivi ad altissimo rendimento, che hanno la capacità di muoversi in una ben determinata direzione, in presenza di particolari potenziali, utilizzando di fatto come forza motrice l’agitazione termica alla quale sonoinevitabilmente sottoposti e quindi dotati essenzialmente di moto Browniano, che normalmente non è un moto recessivo ma stocastico.Una tale particolarissima capacità scoperta da pochissimi anni, fu teorizzata dal noto fisico Feymann , circa intorno agli anni 60. Oggi la teoria dei moti Browniani si è di molto ampliata e si conoscono non solo i moti Browniani classici o passivi, ma anche moti Browniani definiti attivi che sono connessi al moto di sistemi multiparticellari naturali, o moti Browniani frazionari che sono connessi alle strutture frattali o multifrattali. Tutti comunque appaiono connessi sia al classico concetto diffusivo, sia all’evoluzione dei sistemi non lineari ( Teoria del Chaos).L’attuale stato di avanzamento delle conoscenze ci fa comprendere che tutti i sistemi complessi auto-organizzati, come i sistemi biologici sono descritti meglio da equazioni non lineari che si esprimono attraverso le loro forme ( frattali) statiche, cinematiche e dinamiche ( cosa che vale anche per il corpo umano, sia al suo interno che nel suo comportamento macroscopico).La sola connessione tra questi differenti aspetti è il Moto Browniano generalizzato in ogni formulazione nota : classica, frazionaria, attiva ecc..Ne deriva che, partendo dall’aspetto frattale fino ai multifrattali e alla luce delle nostre conoscenze la dinamica Browniana appare uno dei tasselli base dell’alfabeto matematico della Vita che può essere utile anche nel mondo della micro e forse anche della nano robotica.Se si considerano gli effetti di scala di un sistema meccanico diviene interessante notare la relazione fra massa, volume e forza meccanica del sistema.Infatti se la dimensione lineare di un oggetto si riduce a qualche ε, allora il suo volume e la sua massa saranno ridotti di un fattore ε³, d’altro canto la forza sarà ridotta solo di un fattore ε , mentre la forza inerziale che può essere generata sarà ridotta di un fattore ε³.Analoghe considerazioni possono esser fatte per un sistema termico o ottico o elettrico o chimico, ove però l’analisi di scala mostrerà facilmente che questi tipi di sistemi sono più facilmente gestibili per ottenere strutture microscopiche.Ad esempio se l’effetto di scala si considera per un sistema termico, appare importante realizzare che la dimensione lineare di un qualsiasi oggetto viene ridotta di una quantità ε, mentre la capacità termica che è connessa al volume dovrebbe esser ridotta di un fattore ε³ ed il rateo di calore trasmesso di un fattore ε².Ora, poiché è facile fabbricare delicate microstrutture che permettono la conduzione termica lungo vie ad alta resistenza termica, appare altrettanto semplice ottenere un ottimo isolamento termico.Ricordando però che le proprietà submicroscopiche variano, in quanto la dimensione degli elementi delsistema risulta della stessa scala delle vibrazioni quanto-meccaniche, che sono responsabili del trasporto del calore attraverso il lattice della struttura.I MEMS sono gli artefici della nuova rivoluzione tecnologica della fine del ventesimo e dell’inizio del ventunesimo secolo.

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Le microtecnologie, che sono già ad uno stadio abbastanza maturo, sono viste come lo strumento principale per mantenere competitive alcune produzioni tradizionali, in particolare in settori quali la meccanica, la robotica, la sensoristica, l’elettromedicale, l’aerospaziale, l’elettronica di consumo. Il mercato mondiale dei microsistemi e dei componenti microelettronici, micromeccanici e microottici, negli ultimi anni, è stato in continua crescita, ed un recente studio (promosso da NEXUS - European Microsystems Network) ipotizza il raddoppio del mercato, da 12 a 25 miliardi di dollari, tra il 2004 ed il 2009, con un tasso di crescita annuo del 16%. come mostrato nella tabella successiva .

Tab. 40 Mercato dei principali microsistemi MEMS ( Nexus 2006 )

Il futuro dei sistemi MEMS è certamente da individuarsi nei futuri NEMS ( nano-electromechanical system) che saranno sistemi simili ai MEMS , ma in cui la tecnologia prevede fabbricazioni su scala nanometrica piuttosto che micrometrica,comunque se mai i NEMS dovessero esser costruiti, la fisica dello strumento sarebbe certamente dominata dalla fisica delle superfici a causa anche dei fenomeni di tipo quantistico che dovrebbero esser considerati a tali livelli come si è accennato brevemente nell’esempio termico soprastante.

3.2.5.4 Micro robot autonomi applicazioni e limitazioni

Valutando la situazione della robotica , come fin qui descritta, ci si rende conto che data la vastità della materia uno dei punti problematici , anche se può apparire strano , è la definizione di robot .Nei paragrafi precedenti se ne sono viste almeno tre, in questo desideriamo indicarne una quarta, cioè una definizione dimensionale, per cui si parlerà di:

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Robot Volumi possibiliMacro -Robot �1 m³Mini Robot 3 3 310 1m dm Micro Robot 6 3 310 1m cm Nano Robot ≤ 9 3 310 1m mm

Tab 41 Classificazione Dimensionale dei Robot

Un altro concetto da chiarificare nell’ambito delle sottoclassificazioni è quello di autonomia ; infatti quando un robot ha a bordo una energetica o un generatore esso è energeticamente autonomo, se invece esso è capace di reagire in modo autonomo alle varie situazioni , si potrà definire comportamentalmente autonomo.Di fatto la più ampia e completa forma di autonomia è data dalla somma delle due possibilità.Nella tabella seguente sono messi a paragone alcuni degli attuali microrobot autonomi presentati o costruiti sia da industrie che da università nei vari paesi del mondo.

ROBOT Volume cm³

Batteria Motore Autonomia minuti

Velocità m/s

Inchy ( LAMI) 16 Ni-MH Smoovy 5 30 30MARV II ( Sandia) 4 orologio Smoovy 3 10 1EMRoS ( Seiko Epson) ~ 1 orologio Moto dell’orologio 10 10Formica ( MIT) 36 Ni-Cd Motore 3DC 20 15Old MARS ( Fukuda) 16 Litio Motore step 10 4Kity ( KAIST) 16 orologio Motore DC 10 5Meloe ( Brussels ) 14 orologio Moto dell’ orologio 100 2Pollicino ( SSSA Italia) 16 orologio Wobble 15 10Alice 2002 8 Ni-MH Moto dell’ orologio 600 4

Tab 42 tabella comparativa di alcuni microrobot autonomi

Nel seguito sono mostrate le figure di alcuni di questi microrobot autonomi. I limiti della microrobotica sono, allo stato dei fatti, definiti dalle sole limitazioni tecnico-costruttive che possono verificarsi a questi livelli di volume.Ricordiamo che stiamo parlando di robot il cui volume è dell’ordine del cm³.Ma ricordiamo anche che la maggior parte di esse è stata brillantemente superata nell’ambito dei vari sforzi effettuati nelle nazioni più avanzateNelle figure successive Sono mostrati alcuni dei più noti microrobot autonomi che sono stati presentati al mondo.

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Fig 110 MARV2 del Sandia Lab ha 2 motori e sensori IR , MARV1 seguono il filo

Fig 111 microrobot EMRoS Seiko volume 1cm³

Fig 112 Ant robot del MIT con tre motori,sensori IR , batteria NiCd

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Fig.113 Microrobot Mars della Nagoya

Fig 114 il microrobot Pollicino della Scuola Superiore S.Anna di Pisa

Fig 115 mirocar della DENSO volume 14mm³ velocità 1 cm/s

Fig. 116 (a,b) due microrobot alimentati a batterie solari ( Solarobotics )

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Allo stato attuale il robot più piccolo del mondo completamente autonomo e controllabile è stato costruito negli US presso il Dartmouth College in Hanover nel Visconsy nel seguito sono mostrate tre foto del micro manufatto esso compie balzi di 10 nm .Il nano-robot misura 60 x 250 micrometri (un micrometro corrisponde ad un millesimo di un millimetro); contiene due micro-attuatori indipendenti, uno per il movimento in avanti e l'altro per girarsi; non è pre-programmato ma è telecomandato, e alimentato da una rete di elettrodi. Nel complesso, integra un sofisticatissimo sistema di alimentazione, locomozione, comunicazione e guida offrendo una combinazione unica mai raggiunta prima d'ora nel campo dei NEMS (Nano Electro Mechanical Systems).

Fig.117 globuli rossi sul robot Tiny Fig 118 Tiny il robot

Fig 119 il microrobot Tiny su di un penny

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3.2.6 Nano RobotSebbene gli usi applicativi della nano robotica siano ancora limitati, le nanotecnologie sono apparse già in varie applicazioni , i più noti sono i nanomateriali.Le loro applicazioni sono estese e s’innestano profondamente nella nano-meccatronica apportando migliorie tecnologiche e funzionali in prodotti: elettronici, magnetici, optoelettronici, biomedici,farmaceutici energetici, catalitici, e molte altre applicazioni specie nel campo dei materiali.La nano-robotica spesso anche chiamata robotica molecolare, è un’area di ricerca emergente in cui non è nemmeno ancora ben delimitata la definizione. Conseguentemente il campo della nanorobotica può esser diviso in due aree di sviluppo primario

Disegno, simulazione, controllo e coordinazione di nanorobot. Tali sistemi sono spesso di scala micrometrica ed i loro componenti di scala nanometrica ( 1-100 nm) . La maggior parte delle ricerche condotte in tale area sono di tipo teorico, a causa della fondamentale difficoltà di fabbricare oggi tali sistemi. Sebbene strutture simili esistono già a livello biologico ( es. Kinesine e Miosine nel corpo umano) , forse questa è la ragione per cui tali strutture sono state esplorate come possibili applicazioni biologiche nel contesto della nanomedicina.

Assemblaggio e manipolazione di componenti nano con strumenti o robot macro. La manipolazione a livello di nano scala è ancora una scienza in divenire tanto che i fenomeni fisici e la chimici a questi livelli non appaiono ancora completamente compresi..

Poiché i sistemi nanorobotici sono ancora ai primissimi passi, la valutazione di possibili disegni ed algoritmi di controllo richiedono l’uso di stime ed ambienti virtuali ( Ummat et al 2004) .Sharma (2003) ha discusso dell’utilizzo dello studio di simulazioni di dinamica molecolare (MD) e realtà virtuale (VR) per comprendere sia le strutture che i meccanismi a livello di nano scala.Dubey (2003) ha di fatto studiato un motore molecolare noto con il nome di VPL ( proteina viriale lineare) , questo motore è essenzialmente un’attuatore che produce moti di circa 10 nm attraverso scambi comformazionali.Sebbene a conoscenza dell’autore sia stato costruito un solo nano robot artificiale ( Università di New York 2004) altri studi hanno fatto riferimento alla coordinazione ed al controllo di un gran numero di tali nano sistemi agenti in gruppo ( meglio noti nell’ambiente scientifico con il nome di swarms) .Cavalcanti e Freitas (2005) hanno presentato alcune strategie di controllo collettivo utilizzando algoritmi genetici e reti neurali , per un gruppo di nano robot che dovevano effettuare un compito specifico.Come già accennato in precedenza una delle più grandi sfide tecnologiche di questi anni è la possibilità della nano manipolazione e del nano assemblaggio.Nel seguito, visto anche il taglio informativo di questa pubblicazione, indicheremo in modo conciso i più recenti tipi di manipolazione robotica , partendo prima dalla descrizione concisa degli strumenti d’immagine utilizzati e poi dalle applicazioni ed integrazioni di questi sistemi per le nano manipolazioni robotiche.

3.2.6.1 Microscopia elettronica

SEM Microscopio Elettronico a ScansioneIl SEM commercialmente sul mercato da 1966 ha come il microscopio ottico una sorgente di luce detta “cannone elettronico” , tale “cannone” forma un fascio elettronico che c collimato da lenti magnetiche colpisce il campione , alcuni detector raccolgono la radiazione riflessa e tale radiazione elaborata è usata per formare un’immagine in tempo reale del campione.

TEM Microscopio a trasmissione elettronicaIl TEM ha una risoluzione di 0.1 nm ed il suo modo di operare è simile al SEM, solo che esso cattura solo gli elettroni che passano attraverso il campione, per ottenere l’immagine in tempo reale

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3.2.6.2 Microscopia a scansione

STM Microscopio a scansione tunnelLavora similmente al TEM , lo STM può analizzare campioni al disotto del livello molecolare fino al livello atomico l’STM funziona sulla base del noto effetto tunnel a scala dell’Angstrom , la corrente di tunneling è dell’ordine di poche nanoampere , si possono ottenere immagini in modo più rapido se si utilizza la metodologia ad assetto costante in cui il campione è analizzato in un èpiano parallelo alla porzione di superfice.

AFM Microscopio a scansione di forza atomicaL’AFM è considerato lo spin-off industriale del STM ., il primo infatti può essere usato solo su materiali conduttivi , mentre AFM è nato per materiali non conduttivi.Esso si basa sulle forze inter-atomiche anziché sull’effetto tunnel , le forze in gioco sono dell’ordine dei pico newton .Senza entrare nei dettagli operativi l’AFM ha tre modi normali di operare:

a. A contattoIl campione viene analizzato quando si giunge a contatto della superficie (pochi Å ), si usa sia una forza costante che variabile per deflettere il campione.

b. Non a contattoIl fascio oscilla molto vicino alla superficie ( alcuni nm) senza toccarla, la punta viene fatta vibrare quasi alla frequenza di risonanza del fascio ( circa 1 kHz) la forza d’attrazione tra la punta ed il campione causa una variazione nell’ampiezza e nella frequenza di risonanza del fascio, tali variazioni possono essere usate per formare l’immagine del campione.La risoluzione di questo è peggiore di quella a contatto.

c. Ad intermittenzaQuesta tecnica di fatto sfrutta i vantaggi di ambedue i metodi precedenti, per cui le immagini raggiungono risoluzioni molto più elevate del precedente metodo e può , di fatto, esser utilizzato per campioni più delicati.

3.2.6.3 Nanomanipolazioni Sebbene l’ SPM nacque come microscopio per immagini , in tempi brevissimi esso è stato anche utilizzato per la modificazione opportuna dei materiali, sebbene uno SPM possa muovere i materiali nello spazio (x,y,z) esso non può però orientare la punta del suo fascio, inoltre presenta anche una lunga serie di limitazioni operative come: fessurazioni, isteresi ed altre non linearità che influiscono anche sulla qualità dell’immagine, sono comunque associate agli attuatori piezoelettrici.Ormai una gran parte della letteratura scientifica esistente sull’argomento discute sull’uso di sistemi di prova piezoelettrici nella manipolazione di oggetti di scala nanometrica .In genere quasi tutti i ricercatori usano per le nanomanipolazioni sistemi misti che incorporano una o più tecnologie microscopiche di quelle viste precedentemente SEM, TEM, STM, AFM..Specialmente con questi ultimi viene effettuata allo stato attuale nei laboratori mondiali la maggior parte delle nanomanipolazioni .Lo scontro sulle nanotecnologie è esteso a tutti i paesi avanzati nella tabella successiva vengono mostrati i finanziamenti mondiali dati alle nanotecnologie suddivisi per nazioni, e per tipi di capitali investiti.

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Tab 43 Finanziamenti mondiali per le nanotecnologie ( Lux Research inc. 2006 )

3.2.6.4 Manipolazioni di nanoparticelle e nanotubi

Senza entrare nello specifico delle tecnologie e dei metodi Decossas e collaboratori ( 2003) ha analizzato la manipolazione di nanosfere di silicone con diametro variabile tra 4-30 nm con AFMAltri ricercatori si sono indirizzati nella costruzione di stratificazioni che hanno applicazioni nel campo della fotonica e dell’ingegneria tissutale.Esempi di strutture a sei strati con 133 sfere di latex e 274 sfere di silice , sono state portate a termine con l’incollaggio delle sfere di silice focalizzando il fascio di elettroni alla loro giunzione per qualche secondo.Nei tempi recenti significativo interesse si è sviluppato intorno alle strutture dette CNT ( nanotubi di carbonio) , in quanto a causa delle loro interessanti proprietà elettriche, meccaniche, e termiche sono stati proposti per numerose applicazioni come: materiali compositi ad alta resistenza meccanica, microscopia a scansione, nanoelettronica, sistemi nanoelettromeccanici ( NEMS) , nanorobot, sensori chimici, bio-nanotecnologie e conservazione di energia.In questo campo l’università di Nagoya ha pubblicato una gran parte delle pubblicazioni nel campo delle manipolazioni di nanorobotica, ciò è stato a causa di un sistema di micromanipolazione messo a punto in quell’università e chiamato “ Nanolaboratorio” che usa per le nano manipolazioni un microscopio FESEM ( field emission scannino electron ).Mathews e collaboratori (2004) hanno costruito un EMN ( electromagnetic needle) per generare gradienti magnetici opportuni per applicazioni biomediche.L’ EMN è capace di applicare forze statiche e dinamiche tra (1-50 nN ) a nanoparticelle magnetiche. Nell’ambito di alcune sperimentazioni si è dimostrato che l’EMN può catturare selettivamente nanoparticelle magnetiche di 250nm, così questo metodo può essere usato per manipolare e posizionare particelle magnetiche connesse con molecole o tessuti viventi.Layton e collaboratori (2004) hanno utilizzato fibre di collagene ( 20-500nm) che mostrano una enorme capacità di resistenza come materiale biocompatibile per nanostrutture

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3.2.6.5 Catturatori, giuntori e tagliatori

Nel 1970 Ashkin ha dimostrato che le forze dovute alla pressione di radiazione di un laser focalizzato possono essere usate per accelerare, rallentare o catturare microparticelle neutre.Nel corso degli anni si sono identificate due metodologie di applicazione delle forze. Una nota come forza di scattering (nella direzione del fascio incidente); un’altra detta di gradiente diretta come il gradiente d’intensità del fascio.L’uso della manipolazione ottica ha prodotto contributi rivoluzionari in fisica,chimica e biologia.A livello di nanoscala la possibilità di catturare una particella è un problema importante perché vi sono problemi difficili di controllo della quantità di forza, tra oggetto, superficie, e strumento di cattura, in quanto sia le forze elettrostatiche che quelle di van der Waals possono essere importanti a tali dimensioni.È stato dimostrato che l’interazione fra AFM e CTN è abbastanza forte da trasferire un nanotubo verticale da un substrato ad una punta di AFM senza forze di presa esterna.Katani e collaboratori (2005 ) hanno fabbricato prensili tridimensionali fino a quattro dita utilizzando deposizione di vapori chimici con fasci ionici focalizzati ( FIB-CVD) .Wang e collaboratori (2004) hanno descritto la fabbricazione e l’uso di un prensile prodotto termicamente all’interno di un SEM.A livello di nanoscala la DEP (dioelettroforesi ) può essere un mezzo alternativo come sistema prensile il suo uso si basa su un campo elettrico non uniforme per manipolare oggetti polarizzabili il suo uso è comunque ancora agli albori .L’ EBID ( electron beam induced deposition ) è stato usato non solo come processo di fabbricazione litografica per costruire nanostrutture , ma anche come mezzo di cementazione di due nanostrutture , la saldatura a livello nano è quel processo che fondendo due unità di materiale diverso le fa fluire insieme.Terrones con i suoi collaboratori hanno saldato due CNT sotto un fascio di elettroni ad alta temperatura senza deposizione di materiale addizionale, nel caso di elettroni pulsati alcuni atomi si possono perdere promuovendo un riordino di tipo coalescenze dei tubi nelle giunzioni molecolari saldate. Questi fenomeni sono stati studiati sia teoricamente che sperimentalmente.Il taglio delle nanostrutture si può effettuare sia con taglio meccanico , per esempio tagliando CNT con una sonda AFM, o per ablazione elettronica. Nella figura successiva sono mostrate le tecniche di lavorazione meccanica nano, attraverso un AFM.

Fig. 120 (a ) un immagine SEM di una punta AFM di silicone di dimensioni 10nm(b) esempi di micromanipolazioni meccaniche

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Il primo nanorobot di 10 nm è stato creato all’Università di New York usando gambe di DNA che si muovono lungo una traccia anch’essa di DNA questo nano robot si muove sulla falsa riga dei motori miosinici stacca le”zampe” dalla pista di DNA e si muove riattaccandosi in una posizione successiva. Nella figura è mostrato il funzionamento del nanorobot.

Fig 121 Nanorobot di DNA dell’Un. di New York (2004)

3.2.6.6 Quale potrebbe essere il limite inferiore della nanotecnologia?

Questo limite è stato finalmente determinato da due fisici dell’Università dell’Arizona, che hanno misurato quanto un atomo possa avvicinarsi ad una superfice prima che la sua onda cambi.L’idea, che l’onda di un atomo possa accorciarsi ed allungarsi, in funzione della sua distanza da una superficie, in verità fu proposta verso la fine del 1920.La scoperta quantitativa ha dovuto attendete più di ottantasei anni a causa delle limitazioni tecnologiche.La misura di questa dimensione è essenziale per la nanotecnologia , in quanto essa definisce la misura dimensionale di quanto piccolo possa essere un nano sistema prima che le forze di van der Waals interagiscano divenendo un problema per il sistema.I due scopritori John D. Perreault candidato ad un dottorato ed il professor Alexander D. Croninhanno dimostrato che una superficie alla distanza di 25 nanometri produce uno shift nella cresta dell’onda dell’atomo a cui si avvicina.Diminuendo tale distanza le forze di va der Waals divengono così forti che gli atomi sono accelerati con la forza di un milione di g.Pertanto questa distanza sembra un’altra costante universale che l’uomo non potrà superare proprio come la ormai nota costante c , che rappresenta l’intensità della velocità della luce, proposta da Einstein con la teoria della relatività ristretta.

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IV) Il caso Italia

Sinossi del IV° CapitoloIn questo capitolo viene trattata l’evoluzione storica del mercato produttivo nazionale partendo dal mercato delle macchine degli anni 70 proseguendo attraverso la sua evoluzione sempre , perfettamente monitorata dall ‘UCIMU_SISTEMI PER PRODURRE, attraverso questi ultimi anni fino ai dati più recenti UCIMU 2007 mostrati a Cernobbio ove viene riassunta la situazione italiana al 2006. Successivamente viene effettuata una disamina della situazione nazionale iniziando da un survey condotto quest’anno (2007) che ha fornito interessanti ed incoraggianti dati connessi con la ricerca in Italia che, sebbene sia sempre meno finanziata, appare comunque, per buona parte, attiva e concorrenziale con il livello internazionale.Dopo l’analisi dello stato precedente della robotica in Italia, basandosi per la descrizione del mercato Nazionale su dati UCIMU – SISTEMI PER PRODURRE del 2003, viene fornito lo stato come è risultato dal survey ENEA_Telerobot del 2007.Nell’ambito dei centri di ricerca viene descritto quelli che possono essere considerato due dei centri di eccellenza della ricerca della robotica italiana, posti quasi agli antipodi per prodotti La scuola S.Anna di Pisa ed il Polo Valdera. Per i robot di servizioIl CNR di Milano per l’automazione delle macchine industriali, che rappresentano pur nella loro sofisticazione, la prima forma di robotizzazione applicata all’industria.Segue una valutazione dell’ area industriale Italiana divisa in grande industria : specificatamente COMAU e Galileo Avionica con i risultati ottenuti da queste due realtà italiane.Ed una riflessione sulle potenzialità delle PMI italiane del settore; con un esempio paradigmatico quello della TELEROBOT.Infine in un paese dove manca sempre di più l’indirizzo strategico centrale si effettua la valutazione di alcune realtà emergenti a livello regionale e si prendono ad esempio la Liguria , il Piemonte, L’Emilia Romagna ed infine il Lazio per un suo, primo, timido apparire nella questione robotica, mirato essenzialmente all’ambito scolastico.Seguono infine una serie di appendici tecniche e documentali per fornire un quadro ampio di alcune importanti problematiche della robotica che vengono affrontate in modo più approfondito.In esse si cerca anche di fornire un quadro della Robotica Italiana vista nel suo contesto più ampio quello d’integrazione all’interno dell’Unione Europea.

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4.1 L’ evoluzione della robotica in Italia

L’industria italiana della macchina utensile, del robot e dell'automazione ha avuto un forte sviluppo a partire dagli anni '70 e ha raggiunto un livello da leadership mondiale. La maggioranza delle imprese della meccanica strumentale italiana ha dimensione piccola o media e bassi livelli di integrazione verticale. La piccola dimensione d’impresa è collegata alla tipologia dei prodotti, che sono caratterizzati da elevato contenuto tecnologico e realizzati in serie corte. Ciò permette alle imprese di sviluppare al meglio la flessibilità e la capacità di adeguamento alle esigenze del cliente e di fornire prodotti personalizzati. Il basso livello di integrazione verticale delle imprese trova ragione e compensazione nella rete di interrelazioni all’interno dei distretti produttivi in cui è organizzato il settore. Queste potenzialità vengono amplificate dalla cooperazione interaziendale sui programmi di ricerca e di assistenza e nella vendita sui mercati lontani, ciò che determina l’alto livello qualitativo della produzione italiana. Il comparto ha un andamento decisamente pro-ciclico in quanto le macchine utensili sono il bene d’investimento per eccellenza dell’industria manifatturiera e i dati di produzione oscillano ampiamente. L’Italia ha una posizione rilevante a livello mondiale come produttore ed esportatore e ha un parco robot installato di rilievo mondiale. La globalizzazione dell’economia mondiale e lo sviluppo del processo di divisione internazionale del lavoro hanno prodotto un processo di specializzazione delle industrie nazionali e un generalizzato incremento dell’interscambio di macchine utensili, che trovano espressione nell’aumento dei rapporti import/consumo ed export/produzione di tutti i paesi. L’Italia è da molti anni tra i primi paesi produttori e tra i primi paesi esportatori di macchine utensili (figg. 4.2.1.1 e 4.2.1.2). La produzione italiana di macchine utensili e di robot è sempre stata assorbita per la maggior parte dalle esportazioni (tab. 4.2.1.1), che per lungo tempo sono state orientate soprattutto verso i paesi europei (fig. 4.2.1.3). Oltre la metà delle imprese italiane che producono macchine utensili ha sede in Lombardia (tab.4.2.1.3). Il polo produttivo regionale Lombardo ha sempre avuto una rilevante posizione a livello nazionale, sia in termini di imprese che di produzione. D’altro canto la robotica italiana, fino al 1999 ha avuto una buona presenza in Emilia-Romagna, ma era preferenzialmente concentrata in Lombardia e Piemonte (tab. 4.2.1.3).

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Secondo il rapporto UCIMU-SISTEMI PER PRODURRE la consistenza al 31 dicembre 2005 del parco macchine utensili installate presso imprese con almeno 20 addetti ammontava a 343mila unità. Le trecentoquarantatremila macchine si distribuiscono su un universo di poco meno di ventimila unità produttive che impiegano circa 1,4 milioni di addetti. Sono numeri assai significativi. Per darci un metro di paragone, ricordiamo che il totale dell’industria in senso stretto impiega in Italia 4,8 milioni di persone di cui 2,9 milioni presso imprese con almeno 20 addetti ciascuna.Dividendo le macchine per tipologia, la quota più alta e pari al 72% spetta alle macchine chelavorano per asportazione. Seguono quelle a deformazione (19%), i robot (4%), le macchinenon convenzionali e quelle di misura.

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L’età media del parco macchine installato tende a diminuire. Si passa dai 12 anni e 7 mesi del 1984 ai 10 anni e 10 mesi del 1996 per scendere ai 10 anni e 5 mesi del 2005. Nell’ultimo decennio il ringiovanimento medio è stato pari a cinque mesi.Si ricordino le oggettive difficoltà che l’industria italiana ha attraversato in un periodo di quasi stagnazione dell’economia. Per fare gli investimenti serve la domanda più che i profitti. Tra il 2002 e il 2005 la crescita complessiva del PIL del paese dell’ordine è stata solo dello 0,4% in media all’anno.Vanno bene i robot, ma poi ci vogliono tecnici qualificati per poterli gestire come pure ingeneri elaboratori per immaginare e produrre nuove macchine. Occorre formazione da parte delleimprese e migliore sintonia tra il sistema dell’educazione e il sistema della produzione. A dispetto di alcuni luoghi comuni, i dati del rapporto UCIMU indicano come le piccoleimprese siano quelle che fanno più investimenti in beni strumentali. Nel 2005 le aziende con20-49 addetti detenevano il 53% del totale del parco di macchine utensili installato. Lastessa quota era pari al 44% nel 1996 e al 34% nel 1984. L’ascesa ventennale dell’intensitànell’uso di macchine utensili da parte di imprese di piccola dimensione è la conferma, anchenel nuovo contesto della competizione globale, di una peculiarità molto italiana. In Italiacontinuano ad esistere ampi sistemi di sub-fornitura che danno a imprese piccole, maefficienti e innovative, la possibilità di superare i vincoli della minore taglia facendo rete traloro o associandosi con alcuni marchi internazionali. In questo schema di riferimento si iscrive la tendenza da parte delle grandi aziende ad esternalizzare, dentro o fuori i confini del paese, una pluralità di fasi produttive a unità più piccole che quindi sono stimolate a investire sulle macchine e sui sistemi produttivi. Il punto attuale del comparto robot è stato fatto dall’UCIMU – SISTEMI PER PRODURRE a Cernobbio nel 2007: la produzione 2006 ha raggiunto 4992 milioni di euro le esportazioni hanno subito un incremento tendenziale del 17,7% raggiungendo i 2787 .La Germania è il maggior acquirente di robot italiani con una quota del 11,6% segue sorprendentemente la Cina con il 9,6%; seguono gli US con 8,1%; Spagna con 7,6% e Francia con 6,8%.Il mercato interno ha assorbito circa la metà della produzione e mentre è rimasto costante il rapporto Import /Consumo = 37,6% , quello Export/Produzione = 55,8%.Le previsioni 2007 prevedono una produzione che si attesterà a 5570 milioni di euro ( +11,2% sul 2006) con l’export che salirà a 3080 milioni di euro ( + 10.5%) mentre l’andamento delle consegne interne dovrebbe toccare i 2490 milioni di euro (+12,9%)

Fig 122 NS- 5 della iRobot

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4.2 Stato della robotica Italiana (2007)

Il caso Italia nel campo della robotica che di fatto rappresenta un cardine di interconnessione tra ricerca avanzata ed industria, presenta tutte le contraddizioni che accompagnano la nostra penisola in tante altre aree equivalenti.Il Giappone viene indicato come la potenza leader nella produzione, non solo in virtù della maggiore esperienza nell’ ambito della robotica, maturata a partire già dagli anni Ottanta ma anche per la capacità verticale che la sua industria ha nel campo della messa a punto dei robot..Ciò significa che mentre alcune industrie europee ancora producono robot importandone parti non secondarie come –sensori, attuatori ed alcune volte persino motori dall’esterno, l’industria Giapponese in stretta collaborazione con università ed enti di ricerca, sotto il coordinamento del governo detiene un know how completo all’interno di ogni singola industria. Ad oggi, tuttavia, il suo primato sta venendo gradualmente eroso da Europa e Nord America, dove si registra un trend di crescita costante, mentre in Giappone il numero di robot usati in campo industriale sta subendo un assestamento che non prevede forti incrementi di unità da un anno all’altroNoi, infatti stando alle statistiche, risultiamo essere, a livello industriale, i secondi in Europa per densità di robot per addetto.Infatti statistiche UNECE 2004 riferiscono che, dopo il gruppo Giappone –Corea che è leader mondiale nel campo del rapporto robot –lavoratore, vi è un secondo gruppo in cui vi è la Germania, seguita dall’Italia e dalla Svezia. Solo i primi due Paesi però, possono vantare un rapporto superiore a un robot ogni cento persone impiegate, rapporto che scende a 0,72 per la Francia, 0,63 per gli Stati Uniti, 0,39 per la Gran Bretagna e 0,24 per la Norvegia.La densità media di robot industriali presenti nell’Unione Europea si attesta a 0,93 per cento addetti, superando quella degli Stati Uniti di quasi il 50%.Il massiccio utilizzo di robot nella nostra industria, non è però indice di una stretta interconnessione tra industria e gruppi di ricerca, ad esempio sotto il coordinamento dello stato.In realtà l’Italia è tra i leader a livello mondiale per le macchine industriali e l’ automazione avanzata.La tecnologia robotica rappresenta per il comparto manifatturiero un fattore di sviluppo indiscusso e fondamentale. L’automazione flessibile dei processi di produzione, attraverso l’uso intelligente di robot, che sono sempre più oggetti meccatronici integrati e orientati alla soluzione di classi di compiti, consente di rispondere alle odierne sfide dell’industria manifatturiera, permettendo la riduzione dei tempi di immissione dei prodotti sul mercato, l’adeguamento ai paradigmi di “mass customization” e alla miniaturizzazione dei prodotti, la riduzione dei costi a parità di qualità dei manufatti”. Una riflessione attraverso la quale si possono leggere alcune delle principali motivazioni che spingono sempre più le aziende sulla strada dell’automatizzazione, vale a dire la ricerca di più alti standard qualitativi e del recupero di produttività. Inoltre, l’evoluzione della tecnologia di produzione dei robot ha permesso negli ultimi anni un abbattimento dei costi a fronte di un continuo miglioramento delle performance, rendendone sempre più conveniente l’acquisto. Sotto l’aspetto delle previsioni, UCIMU ritiene che, nel 2006, la produzione dovrebbe crescere del 3,3%, in ragione del positivo andamento registrato sia dalle esportazioni.Ma esiste una debolezza organica generale del sistema Nazione specialmente nel settore dei prodotti ad alto contenuto tecnologico

La causa di questa situazione va in parte ricercata nelle caratteristiche del tessuto industriale nazionale, nel quale predomina la specializzazione manifatturiera incentrata sui settori tipici del “made in Italy”, caratterizzato da numerose criticità tra le quali è opportuno sottolineare le seguenti:

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● limitata dimensione delle imprese;● bassa percentuale di valore aggiunto e bassa occupazione del settore “high tech” rispetto all’intero

settore produttivo:● scarsa utilizzazione di processi di trasferimento tecnologico per l’utilizzo di nuova conoscenza;● scarsa propensione di generare brevetti o altre forme di tutela della proprietà intellettuale.Questi aspetti determinano una situazione di debolezza strutturale nel sistema produttivo del nostro

paese. Per quanto riguarda il sistema scientifico nazionale e l’attività di ricerca, è importante sottolineare

che in Italia la ricerca è prevalentemente pubblica, gli investimenti complessivi sono pari all’1% del PIL contro una media europea di quasi il 2,2% e negli ultimi 10 anni è stata registrata una continua diminuzione degli investimenti in R&S. Ma la debolezza intrinseca dell’Italia, nell’area specifica della robotica , risiede nella mancanza di un piano nazionale della robotica coordinato a livello centrale ed in accordo con le linee guida della UE.Pertanto la situazione del settore si presenta polverizzata con ombre diffuse in cui brillano luci impensabilmente splendenti .Si può sempre più affermare che il caso Italia sia quello di un numero di piccoli e grandi solisti avanzati che brillano in un orchestra, senza direttore, che suona per dissonanze, un ‘armonia essenzialmente matura.Partiamo dalla situazione conoscitiva ufficiale 2003 relativa all’industria nazionale.L ’indagine, i cui dati sono stati organizzati per tipo di robot, per tipo di applicazione e per tipo di settore industriale di impiego, riferite alla produzione, al consumo, al commercio estero, è stata svolta dall’UCIMU (Unione Costruttori Italiani Macchine Utensili) e dalla Siri (Associazione Italiana di Robotica e Automazione) mediante l’invio di un dettagliato questionario e per mezzo di colloquitelefonici. Essa mostra quanto difficoltosa si riveli la conoscenza e il reperimento dei dati relativo a tutte le aziende del settore: sono stati, infatti, inviati 57 questionari e solo 28 imprese hanno risposto;

Tab 50 Il mercato Italiano dei robot ( 200-2003) bracci meccanici inclusi (UCIMU 2004)

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Tab 51 Il mercato Italiano dei robot ( 200-2003) bracci meccanici esclusi (UCIMU 2004)

Tab 52 Il mercato Italiano dei robot ( 200-2003) divisi per tipologia (UCIMU 2004)

Tab 53 Il mercato Italiano dei bracci meccanici( 200-2003) (UCIMU 2004)

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Tab 54 Il mercato Italiano dei robot ( 200-2003) divisi per tipo ed applicazioni bracci meccanici esclusi (UCIMU 2004)

Nel 2003 inoltre sono diminuite le grandi aziende a favore delle piccole e medie imprese.Tuttavia, nel complesso, il settore risulta ancora essere suddiviso in maniera piuttosto netta tra piccole (42,9% del totale) e grandi imprese (35,7%).

Tab 55 (2003 ) ripartizione delle aziende robotiche italiane per fatturato (UCIMU 2004)

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Tab 56 (2003 ) localizzazione delle aziende robotiche italiane (UCIMU 2004)

Tab 57 (2003 ) ripartizione dei robot italiani per applicazione (UCIMU 2004)

A questo tipo di informazione industriale peraltro parziale in quanto solo il 50% delle aziende aveva risposto, mancano i riferimenti ai possibili gruppi di ricerca esistenti in Italia ed alle loro eventuali attività.Al fine di aggiornare i dati precedenti e di avere un quadro più completo della situazione nazionale l’ENEA, sperando di avere maggiori dati a livello industriale incaricava una industria robotica dell’area genovese di effettuare un survey della situazione nazionale, indirizzato a quattro potenziali utenti, Tipo 1: Attività di ricerca e sviluppo.Tipo 2: Aziende già presenti sul mercato della robotica. Tipo 3 Aziende attualmente non presenti nel mercato della robotica Tipo 4 Aziende potenzialmente utilizzatrici di robotica di servizio. Sono così stati inviati più di 200 format ( i format inviati sono mostrati in appendice VII) con i seguenti risultati

Aziende attualmente non presenti nel mercato della robotica 0 risposte Aziende potenzialmente utilizzatrici di robotica di servizio. 0 risposte.Aziende già presenti sul mercato della robotica. 11 schede ricevute da 7 aziende diverse.Attività di ricerca e sviluppo. 90 schede ricevute da 25 gruppi o enti di ricerca.

Pertanto vi sono di fatto tre tipi di realtà

1. gruppi di competenza ed eccellenza presso università o istituti.2. grande industria 3. piccola-media industria

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4.3 I centri di ricercaIl soddisfacente risultato del Survey relativamente agli enti e gruppi di ricerca, mostra uno dei lati stupefacenti della nostra realtà, la fervida attività di ricerca che illumina il lato profondo della capacità italiana quella dei solisti nella sinfonia per dissonanze, senza direttore.Nel seguito vengono indicati i centri di ricerca che hanno aderito e le aree di ricerca in cui sono applicati i progetti in appendice IX possono essere visti i singoli progetti.In fine, vengono descritti specificamente due centri che nel corso degli anni hanno brillato singolarmente in due campi complementari della robotica nazionale il CNR ITIA di ilano che si è specializzato in automazione e robot a sostegno delle imprese specialmente manifatturiere e quello che in alcuni campi della robotica avanzata può esser considerato, non solo in Italia , ma anche all’estero, un centro di robotica avanzata .Il centro della Scuola Superiore S.Anna di Pisa con i relativi laboratori.Per buona parte dei centri di ricerca qui di seguito indicati essi devono essere visti, sia nella loro autonomia , sia in modo più interessante, ovvero all’interno di un contesto sistemico di aggregazione locale nel territorio, che a livello di varie regioni sta sorgendo, come via di nuovo sviluppo ed organizzazione sul territorio nazionale.

Università di Roma La Sapienza (ALCOR – Dip. Di informatica )Università di Verona ( ALTAIR )CIRA ( PMAS )CNR ( ISSIA )Politecnico Di Milano ( DEI )Università degli studi di Genova ( DIST - Lira Lab- GRAAL- ISME -PMARlab)ERXA s.r.l.Università di Cassino ( LARM- Dip. di automazione )Galileo Avionica ( OTO MELARA )Politecnico di Torino ( Lab Rob- Dip Mecc. )Università di Napoli Federico II ( PRISMA )TELEROBOTUniversità di Bologna ( Dip. di Informatica- )Univerisatà di ParmaUniversità di Perugia ( Dip. Ing elettronica -Università di Brescia VisLabScuola Superiore S. Anna ( ARTS Lab-CRIM )ENEA ( FIM -Rob )

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I campi di ricerca afferenti a questi gruppi sono di seguito elencate :

Tab 58 a) Survey Nazionale sulla ricerca Robotica 2007- Risultati

Gruppi di ricerca

Tipi di robot

Univdi RomaLa Sapienza

UnivDi Verona

CIRA CNR Politec di Milano

Univ.di Genova

ERXA s.r.l.

Univ di Cassino

Galileo Avionica

Univ.DiParma

Univ.DiBrescia

Veicoli sottomarini

x x

Veicoli robotici

x x x x x

Robot spaziali

x x

Robot umanoide

x x x

Robot industriali

x x x

Robot personali

x

Robot servizio

x x x x x

Robot medici

x x x

Robot di sicurezza

x x x x x x

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Gruppi di ricerca

Tipi di robot

Univdi Torino

Univdi NapoliFederico II°

Telerobot Vislab Univ.di Bologna

ScuolaSuperioreS.Anna

ENEAUniv. diPerugia

Veicoli sottomarini

x

Veicoli robotici

x x x x

Robot spaziali

x

Robot umanoide

x

Robot industriali

x x X

Robot personali

x x

Robot servizio

x x x x x x

Robot medici

x x x x x

Robot sicurezza

x x x x

Tab 58 b) Survey Nazionale sulla ricerca Robotica 2007- Risultati

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Il CNR ITIA di MilanoCome già accennato, il primo istituto di ricerca ed anche forse fra i più antichi d’Italias, che viene di seguito descritto è l’ITIA di Milano che ha da sempre sviluppato automazione e robotica industriale come supporto avanzato del sistema manifatturiero Italiano.L’ ITIA Istituto di Tecnologie Industriali ed Automazione nasce per rispondere alla necessità per il Paese, - d’ essere competitivo nel campo in cui si distingue a livello internazionale, il manifatturiero - in sintonia con i Paesi avanzati dell’unione europea, quali la Germania.l’Istituto in questi ultimi anni ha svolto attività di ricerca per la concezione, sviluppo e verifica sperimentale di nuove macchine, robot e sistemi di produzione - nei settori tradizionali (cuoio, legno, plastica), in quelli science based (biomedicale), nei settori specialized suppliers (beni strumentali) ed in quelli della produzione di massa (bianco e automotive). Le attività di ricerca hanno interessato nello specifico: strumenti di progettazione, macchine operatrici, sistemi e relativi servizi; metodologie e strumenti virtuali di simulazione 3D di prodotto processo e impresa; strumenti di configurazione, simulazione ed ottimizzazione di processi logistici aziendali (sia interni che esterni); tecnologie e piattaforme per il controllo, la supervisione, il monitoraggio e l’integrazione dei processi produttivi (pianificazione e gestione della produzione) ed organizzativi aziendali; studi strategici sul futuro del Manifatturiero ad Alto Valore Aggiunto e delle relative Tecnologie Abilitanti, a supporto della Piattaforma Europea Manufuture e di quella Italiana.I risultati delle attività di Ricerca Scientifica e Tecnologica - svolte in collaborazione con Università, Istituti di Ricerca e Imprese Italiane ed Europee e finanziate attraverso progetti nazionali, Europei ed internazionali, e contratti industriali - possono essere così sintetizzati:

- tre generazioni di nuove macchine a cinematica parallela- due impianti pilota ad alta flessibilità ed automazione per la produzione rispettivamente di calzature e mobilio personalizzate- tools sw per la progettazione integrata – meccanica, controllo e processo di lavorazione - di macchine e sistemi - ambienti e strumenti di realtà virtuale a supporto della simulazione di Macchine Utensili e sistemi di produzione- sistemi di controllo per macchine, robot industriali, celle e sistemi di produzione- contributi originali a Manufuture: Vision 2020, Strategic Research Agenda, Technology RoadmapsDi recente – nell’ambito della strategia Europea di Ricerca volta allo sviluppo di un Manifatturiero competitivo e sostenibile ad Alto Valore Aggiunto K-based - l’iniziativa Manufuture, le correlate European Technology Platforms e Piattaforma Nazionale hanno focalizzato l’attenzione sulla Customer Driven High Added Value Factory “as a product”. L’Istituto, con i suoi impianti pilota per produzioni altamente automatizzate e customizzate, ha contribuito ad una tale evoluzione.L’Istituto è nato nel 1963 come Consorzio (CEMU) tra CNR e Associazione Italiana per lo sviluppo della Ricerca nelle Macchine Utensili, con l’obiettivo di condurre attività di ricerca strategiche per la competitività dell’industria della meccanica strumentale. Nel 1968 diventa Laboratorio CNR e successivamente Istituto Sperimentale Macchine Utensili (IMU).A partire dal 1986, le attività di ricerca scientifica e tecnologica dell’Istituto si estendono allo studio di nuove metodologie e strumenti di concezione e gestione di processi di produzione e relative tecnologie avanzate. L’Istituto, inoltre, dà vita ad un osservatorio permanente per studi strategici e potenzia le proprie attività passando anche alla concezione, coordinamento e gestione di programmi nazionali e sovranazionali (Eureka-Famos), attivando servizi per l’innovazione tecnologica ed implementando le attività di formazione per la ricerca ed innovazione industriale. In questo periodo si concretizza l’apertura a tecnologie transettoriali rivolte a nuovi settori produttivi, che si aggiungono a quello iniziale della meccanica.

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Nel 1993 l’Istituto assume l’attuale denominazione di Istituto di Tecnologie Industriali e Automazione (ITIA).Nel 1999, nell’ambito del riordino del CNR, viene elaborata e presentata al CNR la “Proposta diCostituzione di un Istituto di Ricerca Scientifica e Tecnologica di livello internazionale per la Competitività e Sostenibilità del Manifatturiero”.Tale proposta era basata sulle visioni strategiche e attività sviluppate nell’Istituto in “alleanza” con le Università, le Imprese Europee ed Italiane e sul rapporto continuo con le Istituzioni Europee ed Italiane deputate alla Ricerca. Il 13 ottobre 2000, a fronte dell’accoglimento di tale proposta, veniva pubblicato il Decreto di costituzione dell’ITIA, nella nuova configurazione che prevede sezioni territorialmente distinte l’ ITIA ha focalizzato le sue competenze sulle seguenti aree applicative: microsistemi, meccatronica, robotica, sistemi di controllo, diagnosi, monitoraggio e supervisione di nuova generazione, strumenti e metodi di progettazione virtuale di prodotti e processi, nuovi paradigmi gestionali, organizzativi e di business.Oggi l’istituto si sviluppa su tre sedi Milano, Roma e Bari come unità di ricerca, e tre laboratori Vigevano Caserta e Trento.Il direttore Prof Marco Jovine è noto a livello internazionale nell’ambito dell’automazione di macchine manifatturiere.Nel seguito mostriamo due recentissime realizzazioni robotiche sviluppate dall’ITIA.

CELERIUS: ROBOT A CINEMATICA PARALLELA A 5 ASSI PER OPERAZIONI DI FRESATURACelerius, la prima PKM (Parallel Kinematic Machine) italiana a 5 assi per operazioni di fresatura, è un’unità modulare di lavorazione a cinematica parallela costruita nell’ambito del programma nazionale d’innovazione e ricerca su Sistemi di Produzione Innovativi (SPI1) promosso dal Ministero dell’Istruzione, Università e dellaRicerca, MIUR. Il progetto SPI1 ha per tema la ricerca di metodologie innovative, basate su logiche di modularità funzionale, per la realizzazione di stazioni di lavorazione meccaniche di facile integrazione e adattabili a diverse missioni operative. Uno degli obiettivi principali di SPI1 è la realizzazione di un prototipo di una stazione di lavoro basata sulla tecnologia della cinematica parallela.

Fig 122 Celerius Robot Parallelo dell’ITIA di MilanoMORPHEUM: ROBOT MODULARE E RICONFIGURABILE A CINEMATICA PARALLELAConcepito e realizzato interamente da ITIA-CNR, Morpheum (Modular Reconfigurable Parallel Upgradeable Machine) è un robot a cinematica parallela per operazioni di assemblaggio e pick and place. Nel 2003 ITIACNR ha lanciato il progetto Morpheum per lo sviluppo di un sistema innovativo: macchina + sistema di controllo PC based + sistema di visione. Le principali caratteristiche innovative

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di Morpheum sono la modularità e la riconfigurabilità che rendono possibile la variazione (da 2 a 6) dei gradi di libertà della macchina. Morpheum ha un volume di lavoro di 600x400x400 mm. La velocità massima è di 3 m/s e l’accelerazione lineare massima è pari a 40 m/s2. Morpheum è un robot a cinematica parallela che unisce una struttura meccanica altamente modulare e riconfigurabile ad un’elevata dinamica e ad una capacità di carico variabile pensata per rispondere ai continui cambiamenti nei lotti di produzione.La riconfigurabilità della macchina consiste nella possibilità di espandere la configurazione minima per raggiungere un numero superiore di gradi di libertà. Tutto ciò avviene in modo sistematico conducendo a “configurazioni ottime” a seconda delle esigenze dell’utente finale.La modularità della macchina consiste nella possibilità di effettuare la riconfigurazione descritta mediante pezzi meccanici tutti identici e intercambiabili tra loro.Principali applicazioni della macchina:- Confezionamento- Manipolazione Veloce- Assemblaggio (anche con forzamenti)- Taglio Laser & WaterJet- Asservimento di Macchine

Fig 123 Morpheum robot riconfigurabile a cinematica parallela

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4.3.2 Il Polo S.Anna Valdera

Polo Sant’Anna Valdera (PSV) è il parco scientifico della Scuola Superiore Sant'Anna; una struttura d'avanguardia che costituisce l'ambiente ideale per condurre attività di ricerca e formazione in settori ad alto contenuto tecnologico.Il PSV è sorto nel quadro di un ambizioso progetto di crescita della Scuola Superiore Sant' Anna, fondato su attività di ricerca e di formazione proiettate verso l'esterno.L'area su cui sorge è stata donata dda Piaggio & C. S.p.A., e riconvertita dalla Scuola con contributi del

MIUR (ex legge 488/92), dell'unione Europea, della Regione Toscana e del Comune di Pontedera.La nascita del PSV è strettamente legata a un piano di potenziamento della rete di ricerca e di sviluppo del territorio, concepito dalla Scuola Superiore Sant'Anna a partire dal 1994 .Oggi il PSV - come centro per la ricerca d'avanguardia - ospita una buona parte dei Laboratori della Scuola,PSV è la sede dei Laboratori della Scuola Superiore Sant'Anna che svolgonoricerca avanzata nel campo delle nuove tecnologie - robotica, bioingegneria,biotecnologie, milroingegneria, ambienti virtuali, informatica - nonché nell'innovazionee nel marketing territoriale. I Laboratori della Scuola sono inseriti in retiinternazionali di eccellenza e vantano una consolidata esperienza di collaborazionecon imprese, enti locali e amministrazioni pubbliche.

ARTS Lab (Advanced Robotics Technology and System laboratory)Fondato nel 1989, è stato uno dei primi laboratori di ricerca attivato presso laScuola Superiore Sant'Anna. L'ARTS Lab è focalizzato sulla ricerca fondamentalenei settori della bioingegneria, della robotica e della meccatronica con un approcciofortemente multidisciplinare ed interdisciplinare. Una delle sue peculiarità è quelladi esplorare soluzioni tecniche di tipo biomorfo e antropomorfo per l'applicazionenel campo della robotica e dell'automazione. A. partire da solide competenze di basenel campo della bioingegneria industriale, elettronica e dell'informazione, arricchite dacollegamenti con altre aree culturali quali quelle delle neuroscienze, della percezioneartificiale e delle scienze sociali e umanistiche, 1'ARTS Lab svolge attività didattica e diricerca principalmente nei settori della robotica biomedica, delle misure elettronichebiomediche, della biomeccanica e della bioingegneria della riabilitazione

BIO LABS ( Biological Laboratory)I Laboratori Biologici della Scuola Superiore Sant'Anna sono costituiti da diverseunità funzionali tra loro interconnesse: Biochimica, Biotecnologie, Colture vegetali invitro, Criomicroscopia Elettronica e Microanalisi a raggi X, Laboratorio di AnalisiSuolo- Acque, Laboratorio Entomologico (LELab) , e Microscopia Ottica. Le attivitàdi ricerca dei BIOLabs si caratterizzano per la loro multidiscipljnarietà e l'elevatolivello tecnologico. Le tematiche affrontate sono di ampio respiro, quali il monitoraggioambientale, la gestione di agro ecosistemi, l'interazione pianta-ambiente ed ibiomateriali, ed hanno come denominatore comune l'ambiente considerato piùcome risorsa che come fattore vincolante lo sviluppo. Alcuni esempi di attività diricerca dei BIOLabs riguardano: la bonifica dei terreni inquinati attraverso l'utilizzodi piante (Fitorimedio), lo sviluppo di biotecnologie per la realizzazione di prodottiad elevato know-how, l'impiego di sistemi vegetali in vitro come modelli d'indaginebiochimico-molecolare, la conservazione del germo plasma vegetale, la produzione dimetaboliti secondari di interesse farmaceutico, il miglioramento genetico, le strategiedi lotta biologica e lo studio di bioindicatori entomologici.CRIM (Center for Applied research in Micro and Nano Engineering)

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Studia metodi di progettazione e tecnologie di fabbricazione di microcomponenti,microsistemi e micromacchine di dimensioni comprese fra il centimetro e qualchedecina di micron. I1 CRIM , adottando un approccio multidiscliplinare, meccatronico,studia e realizza dispositivi e macchine integrate e miniaturizzate per una vastagamma di applicazioni, la maggior parte delle quali nel settore biomedico. Esempi di talidispositivi e macchine sono rappresentati da microendoscopi autonomi cheintegrano microtelecamere, sensori per diagnostica e monitoraggio, attuatori intelligenticapaci di muoversi in ambienti difficilmente accessibili. In particolare il CRIM studiasistemi per la chirurgia e la terapia minimamente invasiva, strumenti intelligentiper l'endoscopia, sensori per il monitoraggio della salute, microstrumentazione perla caratterizzazione di tessuti biologici e microrobot per l'assemblaggio di micromacchine.Per la realizzazione dei propri microdispositivi, il CRIM si avvale di duecamere bianche (classe 1.000-1 0.000) di oltre 100 m² e di una serie di attrezzaturespecifiche per il test e la calibrazione dei microsistemi.

PERCRO (Preceptual Robotics Laboratory)Svolge attività di ricerca nel campo di Ambienti Virtuali e Teleoperazione ed hamaturato una considerevole esperienza nello sviluppo tecnico e sperimentale disistemi di Ambienti Virtuali . Le componenti di sistemi virtuali relative allarappresentazione grafica, alla modellazione del comportamento ed alla interazionecon l'ambiente simulato sono oggetto di studio approfondito secondo un approcciounico nel panorama della ricerca italiana.Le attività condotte dal Laboratorio PERCRO, dando origine alla realizzazionedi prototipi suscettibili di ingegnerizzazione, lo caratterizzano quale fontequalificata di conoscenza scientifica e di innovazione tecnologica nei campidelle applicazioni della Realtà Virtuale, di Interfacce tattili e di Meccanicadei Robot. Presso il Laboratorio PERCRO sono state sviluppate librerie g-raficheper la visualizzazione di ambienti virtuali complessi, e in particolare per lavisualizzazione di opere d'arte e di edifici di interesse storico culturale.

RETIS (Real-Time System Laboratory).Svolge la propria attività di ricerca nel settore dei Sistemi in tempo reale , Tale settoreè in forte espansione in quanto strettamente collegato alle nuove ApplicazioniMultimediali e in Realtà Virtuale : quali la videoconferenza, il video on demand, isimulatori avanzati per i sistemi ed i sistemi di controllo motore per autoveicoli.In questo contesto, il LaboratorioRETI5 si occupa di strumenti software per losviluppo di tali sistemi, di protocolli per la comunicazione su rete e di kernel persistemi embedded real- time

Centro di Ricerca EZ LabE' un Centro di Ricerca sulle Tecnologie e i Servizi di Supporto alla Longevità cheintegra competenze in bioingneria, analisi socio-economica, fattori umani,marketing, medicina, giurisprudenza, e promuove progetti ed iniziative culturalivolti a coniugare le esigenze del cittadino anziano con le opportunità di innovazioneindustriale nel settore della Longevità.Il centro è orientato a operare secondo il concetto di ricerca collaborativa che rendepossibile un ampio spettro di applicazioni ed il trasferimento di tecnologie almondo produttivo attraverso il meccanismo della sponsorizzazione dell'attività diricerca.

I N .STAT

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Attivato su impulso dei settori di Ingegneria e di Economia, si propone di studiare,sviluppare e sperimentare metodologie innovative per la valorizzazione dei risultatidella ricerca scientifica e tecnologica e per l'analisi, il marketing e le politicheterritoriali basate d'innovazione tecnologica, organizzativa, gestionale e normativa.

Centro di Ricerca di Robotica UmanoideIn collaborazione con la Waseda University di Tokyo. Il Centro è stato istituitonell'ambito dell'accordo di collaborazione scientifico-culturale tra Italia e Giappone.In quest’ambito si avrà presto anche una versione italiana, realizzata a Pontedera, nei laboratori della scuola Sant'Anna, Wabian-2, il robot giapponese prodotto dalla Waseda University. Una macchina sofisticata che cammina come un essere umano, muove testa, corpo, braccia e mani e, presto, cambierà l'espressione facciale a seconda dei diversi “stati d'animo”: gioia, rabbia, disgusto, paura, tristezza, sorpresa. La più che ventennale collaborazione di ricerca sui temi della Robotica tra la Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa e la Waseda University di Tokyo, siglata in accordi formali nel 2001, ha prodotto nel tempo importanti risultati tra i quali questo Laboratorio Congiunto sulla Robotica Umanoide “Robocasa Italy” è una struttura dove i ricercatori avranno come primo obiettivo la creazione del robot umanoide. “Avrà mani cibernetiche e una pelle artificiale - ha spiegato il professor Paolo Dario, docente di biorobotica - e un cervello che consentirà di valutare e analizzare gli stimoli esterni”.

Fig. 124 Wabian 2 Waseda -Pisa

I progetti relativi a Wabian-2 sono stati illustrati nel corso della conferenza Biorob 2006, al Palacongressi di Pisa, dove è stato ufficializzato un ulteriore passo avanti degli scambi scientifici tra Italia e Giappone, con la collaborazione sulla robotica umanoide tra la Scuola Sant'Anna e la Waseda University, che consentirà di aprire, in Toscana, una struttura gemella a quella già esistente dal 2003 nella capitale giapponese. La realizzazione di Wabian-2 va proprio in questa direzione. “Simulando il più possibile la camminata umana flettendo le ginocchia e posizionando il piede in più modi - è stato spiegato - Wabian ci fornirà risposte sulle patologie umane e ci aiuterà a testare gli ausili per la locomozione, avendo dunque un'applicazione pratica soprattutto per anziani e disabili. Nell’ambito delle attività internazionali dal 25 al 26 settembre 2006. la Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, insieme a numerosi partner istituzionali e aziendali, ha organizzato il Convegno “The University-

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Industry Partnership in an International Perspective: Joining Forces for innovation”, in programma a Chongqing. Chongqing è la più importante realtà economica della Cina occidentale e sede del prestigioso ateneo che collabora con la Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa in base ad un accordo firmato nel dicembre 2004.. Tale accordo è stato promosso e sostenuto da due grandi industrie del settore dei motoveicoli, Piaggio & C. Spa e Zhongshen Industrial Group, che hanno voluto affiancare alla propria joint venture industriale un’intesa tra le due Università. Per consolidare l’intesa raggiunta e porre le basi di future partnerships non limitate alla realtà universitaria ma estese all’ambito politico-istituzionale e industriale, la Scuola Superiore Sant’Anna e la Chongqing University si sono fatte promotrici, con la collaborazione della Regione Toscana, della Municipalità di Chongqing e della Chongqing Foreign Trade and Economic Relations Commission, del convegno “The University-Industry Partnership in an International Perspective: Joining forces for innovation” (Chongquing University Campus, 25-26 settembre 2006), cui parteciperanno istituzioni, industrie, università italiane e cinesi. Nell’ambito delle attività di robotica numerosissimi sono stati i premi e gli attestati guadagnati dalla Scuola, ultimo in ordine di tempo18 aprile 2007 ha vinto a Milano il “WELL-TECH AWARD 2007”, ovvero il “Premio per l’innovazione che migliora la qualità della vita”Una capsula che consente di rendere l’esame endoscopico del tratto gastro-intestinale dell’uomo una pratica routinaria e indolore: questa l’innovativa invenzione messa a punto da un gruppo di ricercatori della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa che il. Well-Tech, osservatorio sull’innovazione tecnologica fondato nel 1999, ha selezionato sessanta prodotti provenienti da tutto il mondo che si sono distinti sulla base di caratteristiche di innovazione tecnologica e valori di sostenibilità, accessibilità e qualità della vita. Tra i sessanta prodotti, rigorosamente selezionati, ha vinto il primo premio per la categoria accessibilità la capsula EMILOC, messa a punto dal laboratorio CRIM (Center for Research InMicroengineering) della Scuola Superiore Sant’Anna, diretto dal prof. Paolo Dario.

Fig 125 Il Prof Paolo Dario ed Assistenti

EMILOC è una capsula robotica ingeribile in grado di diagnosticare precocemente patologie gastrointestinali a livello premaligno. Tale capsula può muoversi attivamente e in modo indoloreall’interno dell’intero tratto intestinale grazie alle otto zampe di cui è dotata e al sistema di controllo manovrabile dal medico. Essendo equipaggiata di telecamera e sistema di illuminazione autonomo, consente l’acquisizione di immagini endoscopiche di qualità comparabile a quella che forniscono i colonscopi attualmente disponibili sul mercato.

Le capsule attuali viaggiano passivamente grazie alla peristalsi, e non sono in grado di fermarsi e di muoversi in zone di particolare interesse. Grazie agli studi in corso questo limite potrà presto essere superato: il laboratorio CRIM coordina tutte le attività di progettazione e realizzazione previste da un ambizioso progetto finanziato dalla Commissione Europea per quasi 10 milioni di euro e una durata di

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4 anni (iniziato il 1 settembre 2006). Si tratta del Progetto VECTOR - Versatile Endoscopic Capsule for gastrointestinal TumOr Recognition and therapy, il cui obiettivo è quello di eliminare i tumori gastrointestinali mediante l’uso di microtecnologie dalle caratteristiche rivoluzionarie. Con queste nuove capsule il medico avrà la possibilità di direzionare la telecamera in modo attivo e controllato, visualizzando l’eventuale presenza di zone sospette di neoplasia e intervenendo localmente all’occorrenza. Operazioni, queste, del tutto indolori, a differenza di quanto accade per le normali colonscopie, procedure ancora oggi molto dolorose e psicologicamente traumatiche. Virgilio Mattoli, post-doc presso il laboratorio CRIM della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, è tra gli autori dell’articolo “Whole body adhesion: hierarchical, directional and distributed control of adhesive forces for a climbing robot” che, presentato congiuntamente con alcuni ricercatori della Stanford University alla conferenza mondiale di robotica ICRA’07 tenutasi nei giorni scorsi a Roma, ha vinto il primo premio della conferenza nella categoria “Best Student Paper”. Ad ICRA’07, complessivamente, sono stati presentati poco meno di 800 articoli selezionati tra i circa 1800 pervenuti. Il testo vincitore del riconoscimento come miglior articolo scritto da giovani ricercatori è stato selezionato anche tra i primi tre finalisti del premio “Best Conference Paper”, assegnato al miglior articolo in assoluto della conferenza. Nell’articolo viene presentato Stickybot, un robot ispirato al geco in grado di arrampicarsi verticalmente su superfici lisce quali il vetro o la plastica. Stickybot riesce a far questo grazie all’utilizzo di migliaia di microscopiche spatole di materiale elastomerico integrate nelle proprie zampe. Il Dott. Mattoli ha contribuito alla realizzazione di Stickybot nel corso del suo dottorato di ricerca, svolto presso il laboratorio CRIM coordinato dal professor Paolo Dario, durante il quale ha collaborato con i ricercatori americani del laboratorio di robotica biomimetica BDML guidato dal professor Mark Cutkosky, presso la Stanford University. Il risultato è uno dei frutti della lunga e proficua collaborazione che ormai da anni lega i due laboratori di ricerca nel campo della biorobotica e della robotica biomimetica.

Fig 126, il robot Stickybot

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4.4 Le realtà industriali e la PMI Come esempio paradigmatico dei grandi gruppi industriali avanzati presenti in Itali prenderemo in considerazione la COMAU, e la GALILEO AVIONICA.

4.4.1 COMAU Spa

COMAU ( COnsorzio Macchine Utensili ) nasce nel 1948 a Torino il primo campo produttivo erano macchine di supporto tecnologico, uno dei primi grossi impegni produttivi è stata la fornitura per gli impianti VAZ a Togliattigrad in Russia. Nel 1977 la compagnia assorbe altre piccole e medie aziende nel 1978 prende il nome di COMAU Finanziaria spa nel 1984 sbarca con la Fiat nel nord America, nel 1988 assorbe la Italtech spa di Brescia , specializzata in macchine da injection mulding per plastica ,. Gli anni 90 rappresentano l’espansione della COMAU a livello intercontinentale con sedi in Francia, Spagna, India, America, Sud Africa, Polonia attraverso l’acquisizione di nuove consociate. Il nuovo millennio vede la COMAU espandersi in Cina , in Spagna, in Germania , Australia, Russia e Svezia.Oggi COMAU è così diventato uno dei pochi fornitori "globali" nel campo dell'automazione per l'industria di autoveicoli. Il Settore, infatti, può garantire ai clienti un servizio completo: dall'ingegneria di prodotto e di processo ai sistemi di produzione, fino all'avvio produttivo delle linee e dei macchinari e ai sistemi di manutenzione per un corretto e costante funzionamento degli impianti industriali.Nel campo della robotica industriale per saldature il più noto personaggio è l’attuale coordinatore Dell’area Strategic Planning & Business Development, Market & Business, Arturo Baroncelli, che è stato insignito di prestigiosi premi internazionali, a causa delle sue innumerevoli applicazioni innovative nel campo dei robot per saldatura, o nei suoi lavori pionieristici nel campo dei robot cinematici paralleli, tra cui un award nel 2006 per il progetto MIR nell’impianto di pneumatici Pirelli

Nelle figura successive vengono mostrati alcuni robot COMAU e l’espansione mondiale del Gruppo.

Fig 127 Espansione Mondiale della COMAU Spa

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Fig 128 Ordini, Numero di Addetti e Guadagni COMAU 2006

Fig 129 Robot per Saldatura COMAU

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Fig 130 Robot COMAU

Fig.131 Robot COMAU

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4.4.2 GALILEO AVIONICA

Galileo Avionica S.p.A., è la principale azienda italiana nel settore avionico. Progetta, sviluppa e produce sistemi avionici ed elettro-ottici, equipaggiamenti spaziali per piattaforme e satelliti. È tra i leader mondiali per i radar avionici e radiobersagli. Sviluppa e produce velivoli tattici senza pilota e simulatori di volo.Galileo Avionica offre capacità ed esperienza nei sistemi di integrazione e partecipa a tutti i principali programmi aeronautici di cooperazione europei (Eurofighter, NH-90, EH-101).Oltre alla progettazione e integrazione di sistemi avionici completi ad architettura aperta, integrata e modulare, Galileo Avionica ha sviluppato ATOS (Airborne Tactical Observation and Surveillance), sistema di missione avanzato e flessibile per velivoli da pattugliamento marittimo. È stato concepito per essere installato e rimosso con facilità sia su velivoli ad ala rotante che ad ala fissa. Centro di eccellenza per le tecnologie all'infrarosso,Galileo Avionica realizza camere termiche per applicazioni avioniche, terrestri e navali e una famiglia di sensori, denominati EOST, di sorveglianza elettro-ottica per velivoli ad ala fissa, rotante e UAV ( Unmanned Aerial Vehicle) ovvero quelli precedentemente denominati Droni.Inoltre Galileo Avionica produce sonar aeroportati e ricopre il ruolo di capo commessa per la fornitura di questi ultimi nella versione antisom degli elicotteri NH-90 della Marina Militare italiana e olandese. Galileo Avionica domina tutte le tecnologie inerenti lo sviluppo di radar avionici. Ha venduto oltre 450 esemplari di radar GRIFO per il controllo del tiro in tutto il mondo, mentre il suo radar per l'atterraggio di precisione PAR è stato adottato da otto diversi paesi.Galileo Avionica è leader mondiale degli aerobersagli alto-subsonici figura tra i più importanti produttori di sistemi UAV di sorveglianza e ricognizione.Tra i suoi prodotti di ultima generazione, il sistema di UAV ( Unmanned Aerial Vehicle ) di sorveglianza FALCO, il sistema UAV NIBBIO per la ricognizione veloce in profondità ed il radiobersaglio Mirach 100/5operativo in Italia, Francia, Regno Unito, Spagna e presso il Poligono NATO Namfi di Creta.I settori di attività più avanzati riguardano sensori ed emettitori elettroottici, sensori radar, simulatori e equipaggiamenti per UAVs (velivoli non abitati), i sensori di assetto, i sensori multispettrali, i pannelli solari per applicazioni spaziali. Particolarmente interessanti le potenziali applicazioni nei contesti della sicurezza e della sorveglianza del territorio.Nelle figure viene mostrato l’assetto societario della Galileo Avionica che è congiunta all’Inglese Selex SAS UK. Nel corso del 2006, Selex SAS ha registrato ricavi per circa 1.750 milioni di euro con un portafoglio ordini di oltre 4 miliardi di euro. L’azienda ha oltre 7.200 dipendenti, di cui 3.100 in Italia e 4.100 nel Regno Unito.

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Fig132 Assetto societario della Galileo Avionica

l’alta dirigenza del settore da maggio di quest’anno prenderà un nuovo assetto con la nomina diSteve Mogford Amministratore Delegato di Selex Sensors and Airborne Systems SpA, Dal prossimo mese di maggio Mogford sarà responsabile delle attività britanniche di Selex SAS UK e di quelle italiane di Galileo Avionica. Steve Mogford è stato per sei anni membro del Consiglio di Amministrazione di BAE Systems e responsabile dei principali programmi tra cui l’Eurofighter Typhoon. Selex SAS è uno dei principali fornitori del programma Eurofighter e attraverso le sue attività britanniche e italiane contribuisce alla parte più significativa dell’elettronica del velivolo. Mogford affiancherà Lord Bach, ex Ministro della Difesa per gli approvvigionamenti militari, nominato Presidente lo scorso ottobre. Selex SAS è uno dei principali produttori europei nell’elettronica per la difesa con capacità nei sistemi di sorveglianza, protezione, ricognizione e puntamento. Galileo Avionica, si è aggiudicata il premio Frost & Sullivan “Product Differentiation Innovation” 2006 per l’ UAV Falco, sistema teleguidato di sorveglianza tattica. Frost & Sullivan, Istituto di ricerca e consulenza di Marketing, ha conferito il premio a Galileo Avionica per l’eccellenza tecnologica raggiunta nello sviluppo di una tecnologia UAV innovativa e capace di andare incontro alle esigenze del mercato attuale. In un mercato dominato dai classici sistemi TUAV (Tactical Unmanned Arial Vehicle) e dai complessi ma costosi sistemi MALE (Medium Altitude Long Endurance).

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Il Falco, sistema TUAV con capacità MALE, costituisce una valida alternativa dal punto di vista costo/efficacia grazie alle alte prestazioni e alla flessibilità in termini di utilizzo dei sensori. Il Falco può essere equipaggiato con l’EOST 45, piattaforma multisensore integrata con TV colore, Spotter o Laser Range Finder, con camera iperspettrale, Radar di Sorveglianza Marittima e Radar ad Apertura Sintetica (SAR) per le operazioni di sorveglianza ognitempo. L’UAV di Galileo Avionica, che può imbarcare un carico utile di 70 kg e operare per 14 ore, ha inoltre raggiunto un primo traguardo per ottenere la piena certificazione civile: il “Permit to fly “ rilasciato dall’ENAC a Galileo Avionica. Nelle figure successive alcuni suoi veicoli UAV che rientrano nel novero dei DRONI avanzati ed alcuni sistemi robotica spaziali come Europa.

Fig 133 Il Falco Drone UAV

Fig134 Il Nibbio Drone UAV

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Fig135 Utilizzo operativo di un Drone da ricognizione

Fig136 il Robot Spaziale Europa

Fig 137 INEX_MAM utilizzato per lo studio della migrazione di Marangoni

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Galileo Avionica parteciperà al progetto svedese “Prisma Rendezvous Robots” che prevede la realizzazione di due satelliti, uno principale e uno “target” più piccolo, la cui messa in orbita è prevista nel 2008. I due satelliti compiranno particolari manovre di allontanamento, riconoscimento, agganciamento in volo, servendosi di un nuovo sistema di navigazione, guida e controllo di assetto. Galileo Avionica fornirà i generatori solari per l’alimentazione elettrica del veicolo e degli strumenti presenti a bordo che dovranno resistere ad importanti carichi statici, dinamici e termici tipici dell’ambiente spaziale. I generatori solari saranno realizzati con celle solari all’arseniuro di gallio a tripla giunzione, una tecnologia allo stato dell’arte che garantisce un maggiore rendimento elettrico. Il progetto “Prisma Rendezvous Robots”, nato per iniziativa della Swedish Space Corporation in collaborazione con la Swedish National Space Board, i due centri di eccellenza dell’industria aerospaziale svedese, è finalizzato allo sviluppo di nuove tecnologie spaziali per future missioni che prevedano il volo in formazione o l’agganciamento di satelliti in orbita. Inoltre come spesso accade per le applicazioni militari High Tech si hanno spesso ricadute nei più impensati campi civili.Infatti la Galileo Avionica ha industrializzato una strumentazione diagnostica, portatile e non invasiva, denominata TRIMprob (Tissue Resonance Interfero-Meter Probe), che consente di evidenziare in tempo reale e in maniera decisamente precoce diverse patologie, dagli stati infiammatori alle formazioni tumorali.Lo strumento, di semplicissimo utilizzo, consente di esaminare i diversi distretti del corpo umano in pochi minuti, senza la necessità di rimuovere gli indumenti e senza provocare il minimo disagio per il paziente.L’apparecchiatura è composta da una sottile sonda cilindrica della lunghezza di circa 30 centimetri alimentata a batterie e da un ricevitore. Un applicativo software appositamente elaborato da Galileo Avionica è deputato all’acquisizione, alla lettura e alla gestione dei dati diagnostici. Il TRIMprob emette un segnale elettromagnetico di debole intensità, che si autosintonizza su frequenze caratteristiche delle strutture esaminate. Quando questo campo elettromagnetico incontra sulla propria linea di propagazione un aggregato in stato biologico alterato, si innesca un fenomeno di interferenza con la struttura in analisi. Tale fenomeno, interpretato attraverso algoritmi proprietari, consente di identificare differenti patologie: neoplasie, fibromi, calcificazioni, stati infiammatori, problemi circolatori, lesioni osteo-articolari, muscolari e tendinee. Interamente sviluppato in Italia il prodotto, basato sulla tecnologia HSM (Hybrid State Maser) ideata dal fisico Clarbruno Vedruccio e già presente in alcuni esemplari prototipici dallo stesso realizzati, è stato industrializzato da Galileo Avionica a seguito dell'acquisizione dei diritti di sfruttamento dall’inventore. Tale tecnologia consente di generare campi elettromagnetici ad alta coerenza spaziale e temporale e, grazie alle proprietà dei segnali HSM, rende possibile la realizzazione di sensori miniaturizzati in grado di interagire a livello microscopico con la “materia” da esaminare.Questo risultato è stato raggiunto anche grazie alle competenze del Laboratorio Elettromagnetismo Avanzato dello stabilimento torinese di Galileo Avionica, che in oltre trenta anni di attività ha avuto in Italia e all’estero riconoscimenti di eccellenza, collaborando costantemente con Università e centri di ricerca sia civili che militari.La tecnologia HSM offre notevoli prospettive di sfruttamento sia per applicazioni militari sia per la sicurezza nazionale, potendo essere utilizzata nella individuazione di materiali e ordigni esplosivi.Le prime esperienze sono state infatti condotte dal Dr. Vedruccio sulla ricerca di disomogeneità nel terreno, finalizzate alla localizzazione di ordigni esplosivi interrati. Grazie alla sua felice intuizione, si è osservata un’interferenza dello strumento anche con la “materia” biologica, che ha consentito di realizzare un primo prototipo dimostratore. Da lì si è giunti oggi al TRIMprob, in grado di fornire in tempo reale lo stato di salute di tessuti e organi umani. Al fine di certificarne la validità medico/diagnostica sono stati condotti e conclusi diversi protocolli di sperimentazione relativi a distretti clinici specifici, in particolare prostata, mammella e

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stomaco/duodeno. Tali studi hanno fornito risultati decisamente promettenti in termini di sensibilità, specificità e accuratezza della metodica.Attualmente sono in corso sperimentazioni su fegato e polmone ed è prevista, a breve, l’attivazione di studi clinici relativi ad altri distretti quali cuore, tiroide, utero e pancreas.La commercializzazione dei primi esemplari di TRIMprob, specifici per la prostata, è stata coronata da grande successo per la loro efficacia e maneggevolezza.

Fig138 Trimprob (Tissue Resonance Interfero-Meter Probe)Sensore e scatola di controllo (2007)

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4.4.3 Il ruolo delle PMI nella robotica

La “robotica avanzata” (intendendo con questo termine tutte le applicazioni della robotica che vanno al di fuori delle tradizionali applicazioni industriali per la produzione di grande serie) è di per se unamateria estremamente interdisciplinare; non esiste infatti un’Azienda, ed in particolare una PMI, che abbia al suo interno tutte le competenze necessarie per arrivare a coprire le esigenze di un’applicazione di questo tipo.Per altro, ad oggi, è ancora valido il paradosso, riferito al mercato della robotica avanzata, coniato negli anni 90, e cioè: “Non esiste un mercato perché non esiste un prodotto, ma non esiste un prodotto perché non esiste un mercato”. Un tentativo di superare questo paradosso era stato fatto da Elsag – Telerobot (Finmeccanica) a metà degli anni 90 sviluppando ROBOLIFT, un carrello a forche che poteva essere utilizzato sia in maniera tradizionale (manned) che in maniera totalmente autonoma (unmanned). ROBOLIFT, che era arrivato ad una avanzata fase di sviluppo (era stato realizzato un prototipo e 3 esemplari preserie ingegnerizzati), è stato presentato nelle più importanti Fiere di logistica d’Europa (es. Hannover) riscuotendo un grandissimo successo ed ha lavorato presso 3 potenziali clienti industriali per alcuni mesi senza problemi. Pur essendo quindi risolti i problemi tecnologici, l’accettazione da parte del mercato di un prodotto, all’epoca estremamente innovativo, avrebbe richiesto ulteriori investimenti, considerati eccessivi anche per un’Azienda delle dimensioni di Finmeccanica.

Rispetto agli anni 90, però, si possono registrare alcune differenze sostanziali: La ricerca scientifica in tutti i settori della robotica ha risolto, almeno a livello prototipale, una

gran parte dei problemi legati ad applicazioni di robotica avanzata (es. sistemi di guida, navigazione, controllo di robot mobili; sistemi di controllo in forza di bracci; sistemi riconoscimento ed interpretazione di scena; autolocalizzazione in ambienti solo parzialmente strutturati; etc.);

Le prestazioni della componentistica elettronica (computer, sensori, asservimenti, etc.) sono fortemente aumentate ed allo stesso tempo i costi sono fortemente diminuiti;

Il diffondersi anche a livello consumer di tecnologie ICT (PC, Internet, cellulari, navigatori GPS, etc.) ha reso più “familiare” in tutte le fasce sociali il contatto con oggetti Hi Tech, che sono ormai non solo “accettati” ma ritenuti indispensabili nella vita di tutti i giorni;

A causa di queste considerazioni, da più parti (IFR, Europ Strategic Research Agenda, etc.) si ritiene che nei prossimi anni il mercato della robotica avanzata andrà incontro ad una fortissima evoluzione.I settori di mercato più promettenti, limitandosi all’ambito civile, sono:

Aiuto agli anziani e disabili Sorveglianza e sicurezza Flexible automation Entertainment Ambienti ostili

In Italia esistono numerose PMI attive nei diversi aspetti della robotica; alcune di esse sono “spin-off” di dipartimenti universitari ed operano soprattutto in progetti di ricerca; altre hanno trovato una loro nicchia di mercato in prodotti altamente specializzati, altre ancora hanno allargato i loro interessi a campi più tipicamente industriali (automazione e macchine speciali). Ad oggi però nessuna di loro ha immesso sul mercato un prodotto che possa essere considerato un “sistema robot”. Gli investimenti necessari per arrivare a questo, in termini di sviluppo, ingegnerizzazione, produzione, marketing, organizzazione, etc., sono infatti troppo elevati per le possibilità economico-finanziarie di una PMI.Dovrebbe quindi essere compito delle Grandi Aziende:

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Individuare e definire un prodotto, attraverso i loro servizi di marketing, che sia appetibile dal mercato e che possa essere sviluppato in tempi compatibili con gli obiettivi della concorrenza internazionale;

Investire, anche attraverso fonti di finanziamento nazionali ed internazionali, per il suo sviluppo fino all’immissione sul mercato.

Le PMI Italiane possono (e devono) dare un forte contributo alle Grandi Aziende del settore per cercare di sfruttare al meglio le opportunità che in tempi relativamente brevi si presenteranno. Questo contributo può essere visto in termini di:

Capacità di fornire soluzioni tecnologiche, ciascuna nel settore in cui è maggiormente competente; questa capacità deriva dall’abitudine che in generale hanno le PMI robotiche a lavorare in stretto contatto con Università e Centri di Ricerca realizzando e trasferendo in pratica gli studi, le idee e le ricerche che le Università portano avanti su un piano più teorico.

Capacità, che deriva dall’abitudine a lavorare in progetti di ricerca multipartner, di aggregarsi in cluster in modo tale da poter offrire sul mercato non solo l’attività specialistica propria, ma soprattutto la possibilità di risolvere un problema multidisciplinare. Un esempio importante di questa capacità è dato certamente dal Polo della Robotica di Genova (www.polorobotica.it), associazione di piccole e medie imprese,affermate a livello nazionale ed internazionale, operanti nei settori dell'elettronica, automazione industriale, telecomunicazioni, materiali, sensoristica, informatica, meccatronica e bioingegneria operanti in stretta collaborazione per le attività di ricerca con i dipartimenti scientifici dell’Università di Genova e con altri centri di ricerca nazionali (es. IIT) ed internazionali.

Flessibilità e velocità di risposta anche verso problematiche nuove e mai affrontate in precedenza.

Possibiltà di fare da tramite tra la Grande Industria e i Dipartimenti UniversitariNell’ambito del Survey svolto dalla Telerobot per conrto dell’ENEA come già ricordatoo hanno risposto solo 6 imprese che possiamo subito definire tutte appartenenti al gruppo delle PMI nel campo della robotica ( tranne la KukA it ) che rappresenta la rappresentanza della grande industria tedesca KUKA di cui già si è accennato in precedenza.Di seguito indichiamo le industrie che hanno risposto

AITEC spa con 4 progetti Erxa con 1 progettoSira Lab robotica con 1 progettoGraal Teck con 1 progettoOto Melara con 1 progettoTelerobot con 1 progettoKukA Robotics con 2 progetti

A coronamento di questa carrellata sul ruolo delle PMI nell’ambito della robotica italiana, mostriamo a titolo esemplificativo delle loro potenzialità e delle loro capacità d’integrazione sia a livello sistemico sia a livello di grandi aziende o centri di ricerca, l’esempio paradigmatico della ditta TELEROBOT s.r.l. e del suo operato come PMI nell’ambito del polo della Robotica di Genova, messa a punto dal suo presidente , presidente anche del polo della Robotica Ing. Corsini

4.4.3.1 TELEROBOT S.r.l. un esempio paradigmatico ( Ing. David Corsini)

Telerobot fornisce ingegneria, nel campo dell’automazione meccatronica e robotica rivolta soprattutto a:

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industrie manifatturiere di prodotto, imprese ed enti del settore telecomunicazioni, spaziale, difesa, produttori di macchine operatrici automatiche, macchine utensili e robot

grandi società di ingegneria del settore off-shore, segnatamente per quelle attività quali installazione, riparazione, disinstallazione e messa in sicurezza di pozzi e gasdotti ove si rendono necessari mezzi ed attrezzature teleoperate

istituti di ricerca avanzata sperimentale ed università,

Telerobot è in grado di presidiare l’intera filiera produttiva e di soddisfare integralmente la domanda offrendo capacità di sviluppo prodotti nella sua interezza, dall’ideazione, al progetto concettuale, alla simulazione / prototipazione virtuale, allo sviluppo esecutivo di dettaglio, alla fornitura, esecuzione di test di collaudo e campagne di prove, messa in funzione, assistenza nell’esercizio di macchine, apparati, linee automatizzate.

Telerobot opera, inoltre, nel settore della robotica avanzata particolarmente in collaborazione con Enti di Ricerca ed Università

Telerobot è uno dei soci fondatori del Polo della Robotica di Genova, (www.polorobotica.it) associazione di imprese high-tech ed enti di ricerca che forniscono a vario titolo apparati, sistemi, ricerca, servizi e, in generale, quelle enabling technologies che costituiscono i fondamenti della Robotica stessa.La Robotica speciale, proprio per la trasversalità di tecnologie coinvolte, è la

disciplina che si occupa delle applicazioni in quei settori di attività - produttive, commerciali e di servizio - rimaste finora ai margini dei processi di automazione, tipicamente riguardanti la sola area manifatturiera in larga scala.

La realtà Genovese, e più in generale Ligure, svolge infatti un ruolo originale, ancorché trainante, non soltanto in ambito nazionale cioè nei confronti di altre regioni già da molto tempo specializzate in ambiti “robotici” - di tipo però esclusivamente industriale manifatturiero - ma addirittura in ambito europeo, come del resto richiede l’attuale momento storico.E’ un dato di fatto ormai accertato che la Liguria può ormai vantare a buon diritto la più alta concentrazione, in ambito nazionale e presumibilmente anche europeo, di laboratori di ricerca in robotica (Università, CNR ed a breve anche IIT) altamente qualificati a livello internazionale; a questi naturalmente si aggiungono altre strutture di ricerca operanti nell’ambito di interessi collaterali e parimenti qualificate, quali ad esempio l’INFM e l’ENEA, svariati centri interuniversitari quali il CNIT, CIMA e ISME, fino a comprendere il centro di ricerca internazionale SACLANT a La Spezia.

Telerobot si inserisce a pieno titolo in questo contesto culturale ed industriale: la società – realtà imprenditoriale a capitale interamente privato – ha raccolto il testimone di una consolidata “storia” nell’ambito della robotica speciale in quanto rivitalizza il nome di un consorzio, nato in ambito Finmeccanica, il cui oggetto era la promozione, la commercializzazione, la ricerca e lo sviluppo, la progettazione, il supporto alle applicazioni e la prestazione di servizi nel campo della Robotica Avanzata nei settori terrestre, marino e spaziale sui mercati italiano ed internazionale.

Nel campo della Robotica Avanzata, progetti di particolare rilievo in cui Telerobot è stata ed è attualmente impegnata sono:

Progettazione e sviluppo di un umanoide per lo studio dello sviluppo cognitivo infantile nell’ambito del progetto europeo denominato

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“RobotCub” (www.robotcub.org), in partnership con 10 centri universitari e istituti di ricerca in tutta Europa;

Progetto di braccio (“Manipulation Tool Module”) da utilizzarsi sulla parte frontale del “Cobra System”, veicolo per esplorazione all’interno di condotte marine (diametro max 550 mm). Sviluppato per SAIPEM S.p.A. (gruppo ENI);

Progetto e realizzazione di un dispositivo di presa flessibile a cinque dita con pollice opponibile per un totale disedici gradi di libertà complessivi, da utilizzare per compiti di ricerca nella coordinazione visione-movimento in collaborazione con il DIST (Dip. Informatica, Sistemistica e Telematica –Università di Genova);

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Progetto e realizzazione di una testa robotizzata nell’ambito di un progetto di ricerca ASI (Agenzia Spaziale Italiana);

Sviluppo di un set-up antropomorfo (testa/busto/spalla/braccio/mano) per società giapponese leader mondiale nella robotica e nell’automotive;

Riprogettazione di un telemanipolatore a 7 gradi di libertà denominato MASCOT (progetto MASCOT 2000) per ENEA.

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4.5 Realtà e sviluppi emergenti

In questi ultimi anni in Italia alla carenza di un coordinamento nazionale fa sempre più da contro altare un proficuo attivismo delle Regioni che cercando di valorizzare sempre di più le loro strutture industriali, in connessione con i centri di ricerca presenti sul proprio territorio, hanno dato vita ad una fervente attività nel campo della valorizzazione locale.È noto che l’Italia è il paese delle macchine, ovvero automazione avanzata e macchine a controllo numerico sono lo schema forte della nostra piccola e media industria, ma oggi con l’evolversi del software e dell’hardware il confine tra macchine automatica e robot di fatto si individua solo in una più accentuata capacità di movimento, anche se si sente parlare di robot per mungitura ( es promosso dalla regione in Lombardia).Comunque per ricercare le realtà emergenti noi ci atterremo a quelle industrie o consorzi in grado di produrre o costruire robot del tipo fin qui descritto nei capitoli precedenti.Nel campo dunque della robotica classica fin qui descritta, prendiamo ad esempio quattro interessanti attività messe in campo rispettivamente in Piemonte, in Liguria , in Emilia Romagna e nel Lazio.

4.5.1 Il Polo della Robotica Genova

Il Polo della Robotica è un´associazione di 25 piccole e medie imprese, affermate a livello nazionale ed internazionale, operanti nei settori dell'elettronica, automazione industriale, telecomunicazioni, materiali, sensoristica, informatica, meccatronica e bioingegneria in stretta collaborazione per le attività di ricerca con i dipartimenti scientifici dell’Università di Genova. Soci e promotori istituzionali sono, oltre all'Università di Genova, la CCIAA di Genova, il Parco Scientifico e Tecnologico della Liguria, l´Associazione Industriali di Genova e il Dixet. Forte del particolare background industriale e culturale del territorio, il Polo della Robotica nato nel 2002 aggrega produttori e fornitori di tecnologie di base del settore della robotica, integratori di sistemi complessi, utilizzatori di sistemi robotici. Il know how, l’esperiennza e l’interdisciplinarietà del Polo consentono di offrire al mercato industriale e della ricerca competenze, servizi e prodotti nei settori:• Building automation• Robotica Mobile• Robotica industriale• Robotica antropomorfa• Ingegneria Hi Tech

La particolare flessibilità della compagine organizzativa consente infatti di fornire una risposta in grado di soddisfare la domanda sempre più complessa, proveniente dai nuovi mercati e dai diversi settori, attraverso la creazione di consorzi temporanei d'impresa con competenze specifiche per lo sviluppo di particolari progetti. Il “Polo della Robotica” sta affermandosi anche come marchio di prodotti robotici innovativi specialmente nel campo sottomarino con i prototipi Romeo, Folaga, Epoch ( per l’archeologia marina) messi a punto dell’ ISME (Centro Interuniversitario dei sistemi integrati per l'ambiente marino).

Fig139 Romeo il robot sottomarino sviluppato dal Prof Veruggio del Robotlab CNR di Genova

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Fig140 Phantom per il controllo degli oleodotti sottomarini (Prog ISME)

Nei laboratori della Lira-lab dell'Università di Genova è stato messo a punto Babybot, un piccolo robot all'avanguardia , paragonato ai suoi concorrenti creati al Medialab del MIT di Boston o nei centri di ricerca della Sony. La struttura di Babybot è composta da diversi organi meccanici che gli permettono di muoversi con disinvoltura sia a destra che a sinistra. La base di appoggio è costituita da un piccolo cilindro. Ma la sua peculiarità , sono gli occhi artificiali che producono una risoluzione identica a quella delle più moderne macchine fotografiche digitali, dai tre ai quattro milioni di pixel.

Fig 141 Babybot Lira lab Genova

L'apparato visivo di Baby-bot è riconducibile alla struttura retinica. Infatti, i ricercatori sono riusciti a mettere a punto degli occhi che danno la possibilità al robot di afferrare, ad esempio, con il braccio meccanico, un oggetto lanciato verso di lui. Una prestazione molto complessa che Baby-bot può fare con disinvoltura grazie a un sostanziale ridimensionamento dei dati da elaborare con una conseguente semplificazione degli algoritmi di calcolo.

L’ Istituto Italiano di Tecnologia

Un’altra realtà emergente nel territorio genovese è il giovane IIT ( Istituto Italiano di Tecnologia ). Istituito nel 2003 dal Ministro dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca e dal Ministro dell'Economia e delle Finanze, l'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) è una Fondazione che ha lo scopo di promuovere la ricerca scientifica, lo sviluppo tecnologico e l'alta formazione tecnologica in Italia. Agevolando la collaborazione con il tessuto industriale, inoltre, l'Istituto favorisce la crescita del

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sistema produttivo nazionale, la creazione di maggiore ricchezza, più posti di lavoro e coesione sociale.Dopo mesi di preparazione in cui la Fondazione ha predisposto un piano di studio e previsto l'avvio del programma di ricerca su tre diverse piattaforme tecnologiche (Neuroscienze, Nanobiotecnologie Robotica), l'Istituto ha attivato l'8 maggio 2006 una rete di competenze e laboratori. In particolare, sono stati designati quattro direttori delle Unità di Ricerca e delineati nove centri scientifici italiani.I direttori, selezionati tra una rosa di scienziati di fama mondiale che eccellono nel campo della robotica e delle nano tecnologie, sono: Darwin Caldwell, Jean Guy Fontaine, Giulio Sandini, Fabio Benfenati.I nove poli, dislocati su tutto il territorio nazionale, sono: -la Scuola Internazionale di Studi Superiori Avanzati (Sissa) di Trieste, per la competenza nelle neuroscienze cognitive; - il Politecnico di Milano, per un contributo che va dalla nanotecnologia alle biotecnologie, alla robotica per gli handicap; - il San Raffaele di Milano, per le neuroscienze; - l'Ifom-Semm di Milano, per la medicina molecolare; - la Scuola Normale Superiore di Pisa, per la biofisica molecolare; - la Scuola Superiore S.Anna di Pisa, per le competenze di microrobotica; - l'EBRI (European Brain Research Institute) di Roma, per il sistema nervoso centrale, il funzionamento del cervello e le dinamiche dell'apprendimento; - l'Università Federico II di Napoli, per lo studio sui tessuti artificiali;- il Laboratorio Nazionale di Nanotecnologia del CNR di Lecce, per le nanoparticelle per diagnostica e nanobiotecnologie.Il network tecnologico multidisciplinare ha la sede operativa a Genova e collaborerà con il "Central Research Lab" di Morego, in qualità di Unità di Ricerca Associate, con l'obiettivo di sviluppare il programma di ricerca e alta formazione dell'Istituto nei prossimi cinque anni.. L’Istituto italiano di tecnologia (Iit), con la collaborazione dell’Istituto di robotica dell’Università degli studi di Genova,della Scuola superiore S.Anna di Pisa, l’Università britannica di Stanford, quella di Lisbona, di Tokio e il Massachusetts institute of technology, ha realizzato il primo prototipo di RobotCub. RobotCub è un robot che riprende forma e dimensioni di un bambino di circa due anni e mezzo di età; la cui casa, a partire dall’anno prossimo, sarà proprio la nuova sede dell’Iit a Genova che fungerà da centro di coordinamento, sviluppo e formazione del progetto. Proprio il modello progettuale scelto per la realizzazione di RobotCub (cub significa cucciolo) rappresenta la prima e importante novità dell’iniziativa perché si basa sui principi concettuali dell’open source, sistema già ampiamente applicato nell’ambito del software. L’idea è quindi di dare vita a una rete di laboratori, scienziati (tra loro i quattro direttori della ricerca dell'Iit), ingegneri di tutto il mondo che collaborano al progetto scambiandosi informazioni, scoperte, conoscenza al fine di accelerare il processo di sviluppo. Una volta realizzata la piattaforma, quindi il robot vero e proprio in più esemplari, al momento ne sono previsti otto, chiunque potrà accedervi proprio perché open source, e utilizzarla per lo sviluppo di ulteriori componenti e ambiti applicativi che potranno essere brevettati e quindi utilizzati commercialmente.

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Le caratteristiche principali di RobotCub da un punto di vista scientifico e progettuale comprendono: la ricerca di intelligenza artificiale (cervello ibrido fra biologico ed elettronico) capace di interagire con l'ambiente, grazie alla sua capacità di apprendere e creare risposte all'ambiente sempre nuove e contestualizzate. Il primo prototipo ha un'intelligenza ancora legata a chip elettronici ‘tradizionali’. L'Iit sta sviluppando reti neuronali grazie alla tecnica che consente di ‘incollare’ sinapsi su piastre di vetro e silicio, le quali dovrebbero essere in grado di riprodurre in modo sempre più complesso l'intelligenza; le parti di RobotCub saranno costruite con nuovi materiali (molli, flessibili, resistenti, elastici) in modo da dotare il corpo di una resistenza e una capacità di movimento sempre più ampia, l'intelligenza è direttamente correlata alla capacità di ‘manipolare’ l'ambiente esterno; RobotCub avrà anche la capacità di autoriparare i suoi tessuti principali, novità assoluta che consentirà al robot di compiere missioni per esempio in luoghi remoti. Tra le possibili applicazioni che RobotCub potrà eseguire vi sono l’assistenza e il supporto automatizzati e lo studio di metodologie che consentono di aggirare o ripristinare tessuto nervoso danneggiato al fine di restituire capacità motorie a soggetti invalidi. Il modello dell’open source applicato alla ricerca rientra nel più ampio concetto di ‘open innovation’

4.5.2 L’Associazione Robotica Piemontese

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Nel Piemonte è presente una forte concentrazione di piccole e medie imprese coinvolte nel campo della robotica circa 250 che occupano all’incirca 8600 addetti . Nella figura successiva viene mostrata la distribuzione geografica delle imprese nel 2003.

Fig 142 Distribuzione % geografica della robotica piemontese (2003)

L’Associazione Robotica Piemontese, una realtà nata nel 2004 grazie alla collaborazione tra Università degli Studi e Politecnico di Torino, Confindustria Piemonte, Istituto Superiore Mario Boella, ANIPLA-Associazione Nazionale per l’Automazione, CSEA, CREA-Centro Ricerche Europeo Amada, CSP, Prima Industrie ed ERXA. La nuova associazione lavora nel solco di una tradizione decennale che ha fatto del Piemonte una importante realtà a livello internazionale nel settore nella robotica, anche se negli ultimi annia causa della mancanza di fondi e di strategie per l’innovazione sono subentrate alcune difficoltà. L’associazione vuole essere così il polo attorno al quale rilanciare la competitività e lo sviluppo della robotica.Primo appuntamento in agenda è stato la competizione internazionale Robocup, che partendo dal gioco del calcio, offre l’opportunità di sperimentare nuove tecnologie applicate ai robot e presentare i risultati di attività di ricerca che potranno poi avere effetti rilevanti anche in campo industriale.Tutte le tecnologie utilizzate per la realizzazione di sistemi di Robotica Mobile Intelligente e di Servizio hanno infatti un grande impatto su applicazioni industriali o in applicazioni socialmente utili. In modo che, dalla dimensione ludica di una partita di calcio tra robot, si ottengano risultati nel medio periodo nei settori della meccanica, dell’elettronica, dell’elettrotecnica, dell’automazione,dell’informatica e delle telecomunicazioni, con il duplice obiettivo di rafforzare l’attività della ricerca e promuovere l’immagine delle imprese e delle istituzioni del territorio e favorire la partecipazione a grandi progetti R&S.nelle foto successive vengono mostrate due fasi della robocup

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Fig143 due fasi della Robocup

La collaborazione tra il Politecnico di Torino e la multinazionale Siemens ha dato “vita”al primo robot umanoide di costruzione italiana, di nome Isaac.I processi costruttivi utilizzati sono di ultima generazione ed utilizzano materiali tecnologicamente avanzati: Infatti il suo peso ridotto, solo 14 kg, ne è la dimostrazione. La scheda tecnica afferma che ha 16 gradi di libertà totali (6 per ogni gamba, 2 per ogni braccio e 2 sul collo), una videocamera usb per la visione, e 23 sensori di movimento; i comandi possono essere inviati al robot, che utilizza un sistema operativo basato su linux, grazie ad un modulo wireless fornito proprio da Siemens. L’alimentazione è affidata ad una batteria da 25v.

Fig 144 Isaac

Comunque la realtà piemontese comprende anche importanti rappresentanti della robotica industriale come la Comau con i suoi 13000 addetti, la rappresentanza italiana della ABB e della Kuka Robotersed altri ancora .il portafoglio di competenze messo a disposizione dei potenziali utilizzatori è molto

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ampio. Nella figura successiva vengono mostrati i diversi campi di competenza delle PMI piemontesi o dei centri di ricerca ad esse associati come il SiTI l’Istituto Superiore sui Sistemi Territoriali e l’Innovazione del Politecnico di Torino. La realtà piemontese nel campo della robotica copre quasi tutto lo spettro possibile della robotica moderna, partendo da quella industriale, attraverso la robotica di servizio, a quella spaziale ai robot umanoidi, ecc.

Fig 145 Diversificazione del portafoglio robotica piemontese (ITP 2007)

Il distretto di Torino si trova al centro geografico di un network di eccellenza robotica formato tra gli altri da Lione e Grenoble in Francia, Losanna e Neuchatel in Svizzera, Milano, Genova e Pisa in Italia.

Questa collocazione e la presenza della FIAT fanno del Piemonte una delle regioni a più alto tasso di sviluppo robotica d’Italia.

4.5.3 L’HI-MEC il distretto per l’alta tecnologia meccanica dell’Emilia –Romagna

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L’HI-MEC La Regione Emilia-Romagna - in collaborazione con le Università di Bologna, Ferrara, Modena e Reggio Emilia, Parma, Piacenza, CNR, INFM, ENEA, ASTER e le associazioniimprenditoriali presenti sul territorio - ha dato vita nel 2003 ad un distretto tecnologico sulla meccanica avanzata:

ilDistrettoHI-MECH.

L'iniziativa è stata selezionata, la prima per la meccanica avanzata, nell'ambito del Programma Nazionale della Ricerca (PNR) del Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca (MIUR), che ha lo scopo di sviluppare interventi di concerto con le Regioni per la competitività dei sistemi territoriali.

I distretti tecnologici sono poli regionali di ricerca e innovazione di eccellenza, incentrati su settori specifici, concepiti per attrarre risorse economiche e scientifiche e accrescere la competitività, lo sviluppo e le capacità tecnico industriali ed economiche del territorio. Perché la meccanica avanzata Il settore meccanico è il motore dello sviluppo tecnologico della regione Emilia-Romagna: rappresenta infatti il 42% dell'industria manifatturiera ed il 55% dell'export e, con oltre 28.000 imprese, costituisce una delle più alte concentrazioni industriali del Paese, in particolare nella produzione di macchine per l'industria e nella filiera "automotive". Distribuite su tutto il territorio regionale, con una prevalenza nelle province centrali, le imprese meccaniche esprimono quasi il 70% della domanda di ricerca del settore industriale. D'altra parte le competenze della ricerca pubblica presenti in regione nel campo della meccanica avanzata sono eccellenti anche a livello internazionale e possono contare su oltre 1500 ricercatori. Il Distretto HI-MECH: i Laboratori di Ricerca Industriale e i Centri per l'Innovazione dell'Alta Tecnologia Meccanica.

L'idea che sta alla base del Distretto Hi-Mech è quella di utilizzare la ricerca come volano dell'economia regionale, in un settore come la meccanica avanzata che pur se tradizionalmente competitivo necessita di impulsi innovativi per mantenersi tale, aggregando le competenze tecnico scientifiche e industriali presenti sul territorio, con le finalità di: stimolare l'industria regionale ad utilizzare la ricerca e l'innovazione per migliorare la propria

competitività; indirizzare il sistema della ricerca verso il trasferimento dei risultati all'industria per velocizzare

il processo di modernizzazione produttivo regionale; creare una massa critica della ricerca capace di competere a livello internazionale. Il Distretto è attualmente formato da 11 laboratori di ricerca strutturati in network e da 5 centri per l'innovazione che coinvolgono oltre 140 ricercatori di nuova assunzione e più di 130 aziende regionali. La ricerca prodotta dai laboratori verte principalmente sulle tre macroaree: Studio e progettazione di sistemi meccanici intelligenti; Metodi innovativi per l'ingegneria meccanica; Materiali, superfici e nano fabbricazione per la meccanica avanzata.

Il logo del distretto Hi Mech è stato "scolpito", insieme a quelli del Ministero e della Regione, su un microingranaggio che simboleggia le applicazioni della meccanica avanzata. L'incisione ha scala nanometrica: la larghezza dei dettagli più piccoli (per esempio la "i" di distretto) è inferiore ai 20 milionesimi di millimetro. La tecnologia utilizzata per "scolpire" e "vedere" su questa scala, tra le più avanzate nel mondo, si basa sull'uso di fasci ionici ed elettronici altamente focalizzati ed è disponibile a Modena presso il Centro Nazionale di Ricerca S3 dell'INFM.

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Fig 146 La nano scultura del logo HI MECH

4.5.4 Lazio - “ Rome Cup 2007”- la Robotica a Scuola

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Nel Lazio invece, con un progetto di largo respiro, si è pensato di seminare cultura scientifica applicata nelle nuove generazioni e di valorizzare il lato ludico-educativo che la robotica può mostrare ai i ragazzi delle scuole, con il chiaro intento, sul lungo periodo, di formare ed indirizzare verso la tecnica le nuove generazioni di un paese, in cui forse la tecnica è vista più come un bene di consumo che come un azione attiva della vita. la robotica infatti non serve soltanto per imparare a costruire o usare i robot, ma anche per acquisire un metodo di ragionamento e sperimentazione del mondo; implica la combinazione di varie discipline e consente agli studenti di apprendere le scienze in modo stimolante, creativo e coinvolgente. A presentare la prima edizione di RomeCup2007 è stato il presidente della Fondazione Mondo Digitale, Tullio De Mauro, che ha dato il via anche ai lavori degli eventi paralleli: alle 9.30 l’apertura ufficiale della competizione, alle 9.45 l’inaugurazione dell’area dimostrativa e alle 10.00 il workshop con i docenti. La competizione, articolata in categorie (Explorer, Explorer Junior, MiniSumo e Soccer), si svolgerà dalle 10 alle 16. A sfidarsi saranno gli automi progettati e assemblati dagli studenti. I “robot esploratori”, ad esempio, dovranno muoversi “da soli” in un labirinto per un tempo prefissato. Ai robot calciatori (Soccer) sarà chiesto di scendere in campo in squadra: una palla speciale in grado di emettere raggi infrarossi consentirà “palleggi, passaggi e goal”. Al termine della competizione, le consultazioni della giuria e la proclamazione dei vincitori. A consegnare i premi sarà il sindaco di Roma, Walter Veltroni. In contemporanea alle competizioni della mattina si svolgerà il seminario per docenti “La Robotica nella didattica - Esperienze a confronto” (Sala del Carroccio, ore 10-13). Ha aperto i lavori il direttore generale della Fondazione Mondo Digitale, Mirta Michilli. A fare il punto sullo stato dell’arte della robotica e della didattica dell’automazione saranno Giammarco Verruggio, presidente della Scuola di Robotica, e Daniele Nardi, professore ordinario di Intelligenza artificiale all’Università La Sapienza di Roma. Saranno anche presentate le esperienze di eccellenza realizzate dalle scuole italiane a Roma, Pisa, Catania, Latina, Grosseto.

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Appendice IValutazione dei principi fisici per la generazione di forze tattili

201

In un interessante report della Touch HapSys e dell’ IST “Final Report On Physical Principles” sono state prese in considerazione le soluzioni possibili per micro attuatori tattili.La ricerca ha riguardato l’approfondimento delle nuove soluzioni possibili, prima attraverso lo studio delle tecnologie utilizzabili come: polimeri non elettrici e polimeri attivati elettricamente, in questo ambito sono stati individuati come soluzioni promettenti un ampia gamma di materiali particolari ad esempio: polimeri dielettrici, polimeri ionici, nuovi composti metallici, e polimeri conducibili .la seconda analisi è stata estesa all’elaborazione di possibili soluzioni mediante l’uso di materiali intelligenti, dopo una breve review sono stati affrontati con maggior approfondimento i fluidi intelligenti, con specifico riguardo fluidi elettro e magneto-reologici.Infine è stata presentato un elenco esaustivo delle forze e dei principi fisici utilizzabili per gli attuatori, cercando di individuare tutte le forze e le relazioni utili fra esse ed altre grandezze fisiche, pur affrontando tale studio sulla base di alcune semplificazioni ( nessuna perdita di energia, materiali ideali, e forze non superiori a 50N ), tale valutazione ha permesso di stilare una tabella di utilizzabilità per le forze valutate, ai fini di un sistema tattile.Nel seguito presentiamo in forma compatta tutte le forze analizzate, i principi e la tabella risultante.

Forza gravitazionale

Forza newtoniana

202

Forza peso

Forza impulsiva

Momento Angolare

203

Forza di galleggiamento

Forza centripeta / centrifuga

Forza Coriolis

204

Pressione Jet

Forza di rimbalzo

Forza Convettiva

205

Forza Coulombiana

Forza Capacitiva

Forza dielettrica in campo disomogeneo

206

Forza Dielettrica in campo omogeneo

Forza dielettrica fluida in un campo elettrico

Forza Piezoelettrica

207

Forza Elettrostrittiva

Forza Elettromagnetica

Forza di Lorentz

208

Forza di Induzione elettromagnetica

Forza del campo magnetico indotto

Forza magnetica disomogenea in un materiale paramagnetico

209

Forza di Elihu Thomson

Forza Magnetostrittrice

210

Forza Osmotica

Forza Capillare

211

Forza di pressione acustica

Forza di pressione della radiazione elettromagnetica

212

Forza elastica generale

Forza elastica a spirale

213

Forza elastomerica

Forza vibratoria di una trave

Forza vibratoria di un triangolo

214

Forza di espansione termica

Forza di espansione de una striscia bimetallica

215

Forza di espansione termica di un fluido

Forza di compressione adiabatica

Forza di compressione isocora

216

Forza d’attrito

Forza di resistenza nel flusso laminare

Forza di resistenza di un flusso laminare in un tubo

217

Forza di resistenza di un flusso turbolento

Forza di resistenza di un flusso turbolento

Forza di sollevamento

218

Forza dell’effetto Magnus

Forza dei metalli a memoria

219

La valutazione è stata effettuata secondo i seguenti principi che sembra soddisfino meglio le richieste di implementazione di un interfaccia tattile.Le forze precedenti sono state valutate secondo i seguenti criteri ed i risultati sono nella tabella seguente.

1. potenzialità di una possibile implementazione2. grandezza della forza generata3. range della forza4. risposta di frequenza5. diversificazione ( minimo range di estensione, piccola forza , grande range di estensione, grandi

forze)6. range dinamico

I benchmarks sono secondo le seguenti valutazioni:

insufficiente sufficiente buono eccellente

la seguente tabella è il risultato finale

Principi fisici

Praticabilitàimplementazionetecnica

Forza Range di Estensione Della forza

Risposta In frequenza

Diversifi-cazione

Dinamica totale class

peso 10% 30% 15% 20% 15% 10% 100%Gravitazione 3 0.3 1 0.3 2 0.3 1 0.2 1 0.15 2 0.2 1.45 40Accelerazione 2 0.2 2 0.6 2 0.3 2 0.4 2 0.3 2 0.2 2.00 17Impulso 2 0.2 2 0.6 1 0.15 2 0.4 1 0.15 2. 0.2 1.70 35F. Galleggiamento 1 0.1 1 0.3 3 0.45 1 0.2 1 0.15 1 0.1 1.30 45F. Centripeta 1 0.1 3 0.9 2 0.3 2 0.4 2 0.3 2 0.2 2.20 15F. di Coriolis 1 0.1 3 0.9 1 0.15 2 0.4 1 0.15 2 0.2 1.90 25Peressione jet 3 0.3 2 0.6 4 0.6 3 0.6 3 0.45 2 0.2 2.75 8Rimbalzo 3 0.3 2 0.6 4 0.6 3 0.6 3 0.45 2 0.2 2.75 8F. di Coulomb 1 0.1 3 0.9 1 0.15 1 0.2 1 0.15 2 0.2 1.70 35Effetto capacitore 3 0.3 1 0.3 2 0.3 3 0.6 2 0.3 3 0.3 2.10 16Dielettrico in un campo non omogeneo

3 0.3 1 0.3 2 0.3 2 0.4 2 0.3 2 0.2 1.80 30

Dielettrico in un campo omogeneo

3 0.3 1 0.3 3 0.45 2 0.4 2 0.3 2. 0.2 1.95 23

Fluido Dielettrico in un campo elettrico

1 0.1 1 0.3 2 0.3 2 0.4 2 0.3 2 0.2 1.60 38

Piezo 3 0.3 4 1.2 1 0.15 3 0.6 2 0.3 3 0.3 2.85 8Elettrostrizione 3 0.3 4 1.2 4 0.6 2 0.4 2 0.3 3 0.3 3.10 3Fluidi elettroreologici 3 0.3 3 0.9 3 0.45 3 0.6 3 0.45 3 0.3 3.00 4Elettromagnete 2 0.2 4 1.2 1 0.15 1 0.2 1 0.15 1 0.1 2.00 17Magnete permanente 2 0.2 4 1.2 1 0.15 1 0.2 1 0.15 1 0.1 2.00 17Correnti parassite 1 0.1 1 0.3 3 0.45 2 0.4 2 0.3 2 0.2 1.75 32Forza di Lorentz 2 0.2 1 0.3 3 0.45 2 0.4 2 0.3 2 0.2 1.85 27Induzione elettromagnetica 3 0.3 1 0.3 3 0.45 2 0.4 2 0.3 2 0.2 1.95 23Campo magnetico di una corrente

2 0.2 1 0.3 2 0.3 3 0.6 2 0.3 3 0.3 2.00 17

220

Materiale Dia/paramagnetico in un campo non omogeneo

2 0.2 1 0.3 3 0.45 2 0.4 2 0.3 2 0.2 1.85 27

Effetto Elihu Thomson 2 0.2 3 0.9 3 0.45 1 0.2 1 0.15 1 0.1 2.00 17Magnetostrizione 3 0.3 4 1.2 3 0.45 3 0.6 2 0.3 3 0.3 3.15 2Fluidi magneto reologici 3 0.3 3 0.9 3 0.45 3 0.6 3 0.45 3 0.3 3.00 4Osmosi 1 0.1 3 0.9 2 0.3 1 0.2 2 0.3 1 0.1 1.90 25Effetto capillare 1 0.1 1 0.3 2 0.3 2 0.4 2 0.3 2 0.2 1.60 38F. adesiva 2 0.2 3 0.9 1 0.15 1 0.2 1 0.15 1 0.1 1.70 35Pressione acustica 2 0.2 1 0.3 3 0.45 3 0.6 3 0.45 3 0.3 2.30 12Pressione di radiazione elettromagnetica

2 0.2 1 0.3 3 0.45 3 0.6 3 0.45 3 0.3 2.30 12

Forza elastica 3 0.3 4 1.2 3 0.45 3 0.6 3 0.45 3 0.3 3.30 1Espansione termica 2 0.2 3 0.9 1 0.15 1 0.2 2 0.3 1 0.1 1.85 27Striscia bimetallica 1 0.2 2 0.3 1 0.1 1.80 30Espansione termica di un fluido

1 0.1 3 0.9 1 0.15 1 0.2 2 0.3 1 0.1 1.75 32

Compressione adiabatica

1 0.1 2 0.6 4 0.6 2 0.4 3 0.45 2 0.2 2.35 11

Compressione isocora

2 0.2 2 0.6 1 0.15 1 0.2 1 0.15 1 0.1 1.40 44

Attrito di slittamento

3 0.3 2 0.6 1 0.15 2 0.3 3 0.45 2 0.2 3.00 17

Resistenza in un flusso laminare

1 0.1 1 0.3 3 0.45 1 0.2 2 0.3 1 0.1 1.45 40

Resistenza in un flusso laminare in un tubo

1 0.1 1 0.3 3 0.45 1 0.2 2 0.3 1 0.1 1.45 40

Resistenza in un flusso turbolento

1 0.1 2 0.6 3 0.45 1 0.2 2 0.3 1 0.1 1.75 32

Sollevamento 2 0.2 3 0.9 3 0.45 1 0.2 2 0.3 2 0.2 2.25 14Effetto Magnus 1 0.1 1 0.3 3 0.45 1 0.2 2 0.3 1 0.1 1.45 40F. Pneumatica 3 0.3 3 0.9 3 0.45 3 0.6 3 0.45 3 0.3 3.00 4Metalli a memoria di forma

2 0.2 4 1.2 3 0.45 1 0.2 2 0.3 1 0.1 2.45 10

Tab. 10 valutazione dei principi fisici per uno strumento tattile ( ITS 2001)

…….

221

Appendice IIEsempio di sistemi tattili industriali

222

II.1 Esempio di sistemi tattili industriali

Delta – Force Dimension

Il Delta Haptic Device `e un’interfaccia tattile prodotta dalla Force Dimension costituita da tre manipolatoriseriali in catena cinematica chiusa formati da due link e da due giunti di cui il primo `e attuato e sensorizzatomentre il secondo non è né attuato né sensorizzato.

Fig II ,1 l’interfaccia Delta Fig. II,2 l’interfaccia Delta

Alla struttura precedentemente descritta è possibile collegare due tipologie di end-effector:

_ Il primo è costituito da un cilindro fisso che viene collegato ai tre manipolatori. In questo caso si hanno quindi 3DOF relativi agli spostamenti nello spazio ed `e possibile avere le sensazioni tattili che si otterrebbero toccando oggetti tramite una massa puntiforme.

_ Il secondo end-effector è costituito da un cilindro che ha la capacità di ruotare attorno a tre assi i cui giunti sono attuati e sensorizzati, esso aggiunge 3DOF all’interfaccia. Con tale end-effector i gradi di libertà totali sono sei ed è possibile avere le sensazioni tattili che si otterrebbero toccando oggetti tramite una massa di qualunque forma.

II.2 Dispositivi antropomorfizzati (Guanti)

Fra tutti i dispositivi in commercio quelli proposti da Immersion sono sicuramente i più avveniristici. La libertà di movimento garantita da questi strumenti è notevolmente superiore rispetto a quelli proposti daSensable e Force Dimension; tuttavia l’elevato costo e le notevoli dimensioni rendono poco funzionali per applicazioni come grafica 3D, apprendimento guidato e telechirurgia, che attualmente si avvantaggiano di questa tecnologia.

223

CyberGlove - ImmersionL’azienda americana suggerisce un guanto meno ingombrante rispetto al P5 ma dotato di ventidue sensori (CG2202) distribuiti lungo tutta la superficie della mano (esiste una versione anche a 18 sensori (CG1802)). Il sistema è costituito da tre sensori di curvatura (banda infibra ottica lungo il dito) per ogni dito. Lungo il pollice sono distribuiti due sensori rispettivamente per la giunzione metacarpo falangea e perquella inter falangea (MP and IP), per le rimanenti quattro dita la soluzione a 18 sensori fornisce due sensori di curvatura uno per la giunzione MP ed uno per la giunzione IP prossimale, la versione a 22 sensori è supportata da un trasduttore di curvatura in più per ogni dito per la misura della giunzione IP distale. Quattro sensori di abduzione sono riservati per il pollice, l’indice, il dito medio e il mignolo; questi sensori permettono di misurare il movimento laterale (lungo l’asse delpalmo della mano) delle articolazioni. Il pollice e il mignolo sono dotati infine di altri due sensori in grado di misurare la rotazione delle due dita rispetto al palmo della mano e rispetto al pollice stesso.Infine due ulteriori sensori sono posizionati nel polso per misurare il beccheggio e l’imbardata dello stesso. Il guanto è collegato tramite una porta RS232C (seriale a nove poli) ad una CGIU (CGIU2402 Interface Unit) a sua volta collegata sempre attraverso una connessione seriale ad un personal computer.

Fig. II, 3 Guanto Cyber Glove

Feedback di forzaNonostante molti siano ancora i progetti di ricerca volti alla realizzazione di dispositivi tattili non è statosemplice reperire materiale su apparecchiature commerciali di largo interesse applicativo. La tendenzamaggiormente diffusa è infatti quella di realizzare artefatti robotici altamente specializzati. In contrasto con questa linea di pensiero si posiziona Immersion 3D con la realizzazione di una stazione tattileutilizzabile in numerosi campi applicativi.La stazione è realizzata attraverso tre dispositivi indipendenti montati direttamente sul guanto prodotto dalla stessa casa.

Finger Sensor Specs_ 22 independent finger measurements_ 0.5 degree resolution_ 1 degree repeatability_ Sensor linearity: 0.6% maximum nonlinearity._ Sensor Data Rare: 150 records/secCyberGlove_ One size fits most._ 3 oz weight._ 10 ft glove capable standard.System Interface:_ RS-232 (115.2 kbaud max)_ Analog sensor outputs also provided._ Analog noise filter integrate in the Interface Unit.

224

CyberGrasp - ImmersionCyberGrasp è un leggero esoscheletro che montanto direttamente sul dorso del guanto virtuale permette di implementare il ritorno in forza ad ogni dito della mano. Il dispositivo è dotato di una FCU (Force Controller Unit) alla quale deve essere collegata l’uscita della CGIU di CyberGlove. L’idea di base è quella di estendere le funzionalità del guanto virtuale introducendo attuatori di forza per ogni singolo dito della mano; l’obbettivo è ottenuto permettendo il dialogo della interfaccia di CyberGlove non più direttamente con il personal computer ma attraverso una unità di elaborazione (FCU) che a sua volta comunicherà con l’host computer attraverso una rete Ethernet Standard.Il dispositivo montato sul dorso della mano è costituito da cinque tendini metallici collegati singolarmente ad un Actuator Enclosure (che contiene i motori elettrici in grado di attuare i singoli tendini). L’Actuator Enclosure viene connesso poi alla FCU attraverso una una porta posizionata sul retro della stessa.In alternativa è possibile acquistare un GraspPack attraverso il quale sarà possibile posizionarsi sulle spalle (come un normale zainetto) la FCU e ottenere quindi massima capacità di movimento.

Fig II, 4 Guanto Cyber Grasp Fig.II,5 Il Grasp Pack per un guanto Cyber Grasp

CyberTouch - ImmersionLa sensazione di tatto è realizzata da Immersion tramite CyberTouch; questo dispositivo è costituito da sei “simulatori” vibrazionali (uno per dito più uno per il palmo della mano) che programmatiindipendentemente uno dall’altro sono in grado di riprodurre le sensazioni di tatto all’utente. Questo dispositivo permette di interagire con gli oggetti virtuali analizzandone (attraverso appositi modelli tridimensionali) le interazioni ed eventualmente le deformazioni dovute alla presenza di una forza esterna. L’apparato è in grado, programmato appositamente, di simulare oggetti virtuali rendendone pure lacomposizione materiale oltre che quella dimensionale. Il simulatore vibratorio è in grado infatti di generare pulsazioni, vibrazioni sostenute o funzioni personalizzate direttamente dall’untente.

225

Fig.II ,6 Guanto Cyber Glove

Specifications_ Force: 12N per finger_ Weight: 16 ox (without CyberGlove)_ Workspace: 1 meter spherical radius from Actuator ModuleSystem Interface:_ Control Unit: Force Control Unit (FCU) included_ Interface Ethernet to Personal ComputerSpecifications_ Vibro-tactile Stimulators: 6; one for each finger, one on palm._ Vibrational Frequency: 0-125Hz_ Vibrational Amplitude: 1.2NSystem Interface:_ Instrumentation Unit: 10.00’’ x 6.25’’ x 2.75’’; 30oz_ Interface: RS-232 (115.2 kbaud max)

226

Appendice IIIUna metodologia generale per l’analisi dello swarm

robotico

227

Vi sono diversi metodi per lo studio del comportamento swarm di gruppi di robot, normalmente si studia la situazione analizzando la dinamica del sistema macroscopico, ma questo sistema è lungo e laborioso e spesso non fornisce dati soddisfacenti.Un metodo alternativo è quello di studiare l’evoluzione di un sistema stocastico di particelle .Se dunque il sistema può essere ben descritto da un vettore d’occupazione 1 2 3( , , ,...., )mn n n n n dove n

è il numero di robot nello stato k .Allora se ( , )P n t è la distribuzione di probabilità del sistema, essa caratterizza il sistema dando la probabilità di trovare il sistema nella configurazione n al tempo t.Se il sistema è Markoviano ovvero dipende solo dallo stato precedente e non dalla memoria passata, allora la densità di probabilità può scriversi:

( , ) ( , ', ) ( ', )n

P n t dt P n t dt n t P n t La variazione della densità di probabilità può scriversi:

( , )P n t dt - ( , )P n t = ( , ', ) ( ', )n

P n t dt n t P n t - ( ', , ) ( , )n

P n t dt n t P n tFacendo tendere dt a zero otteniamo il limite della relazione ( che è anche la Master Equation del sistema)

' '

( , )( ', ) ( ', ) ( ' , ) ( , )

n n

P n tW n n t P n t W n n t P n t

t

Se La frazione media di robot nello stato k si evolve accordandosi alla nota equazione, detta equazione del rateo del sistema:

kjk k k kj

j j

np n n p

t

dove i coefficienti p non simmetrici e dipendenti dal tempo hanno la forma :

1( ) ( )kj km mjm

p w t w t dove W è la probabilità di trovare il robot in in un luogo se prima era in un altro.

Quindi l’equazione kjk k k kj

j j

np n n p

t

descrive il rateo di evoluzione del sistema che è

rappresentato dall’aumento del numero di occupazioni kn dovuto alle transizioni in k dagli altri stati,

meno il numero di transizioni da k verso gli altri stati.È noto dalla fisica statistica che quando il numero dei robot è sufficientemente grande la Master Equation può essere approssimata dall’equazione di Fokker-Plank

21 2

2

( , )( ) ( ) ( , )

P x tD x D x P x t

t x x

. Dove i coefficienti D sono detti coefficienti di diffusione.

Questa equazione, a sua volta risulta essere equivalente all’equazione di Langevin per cui potrà scriversi in analogia:

( ) ( ) ( )dx

f x g x tdt

dove in generale f(x) rappresenta un campo vettoriale deterministico e g(x)

rappresenta l’accoppiamento lineare della fluttuazione η(t) con la coordinata x.Se la fluttuazione è un rumore bianco gaussiano allora valgono le note relazioni ( ) 0t e

( ) ( ) 2 ( ')t t D t t �

Allora il processo stocastico x(t) sarà Markoviano e la densità di probabilità soddisferà proprio l’equazione di Fokker Plank del tipo:

22

2

( , )( ) ( ) ( , )

P x tf x g x P x t

t x x

228

Per cui il moto del singolo robot potà essere soddisfacentemente approssimato da un moto di tipo Browniano classicoIn realtà il moto risulta essere più complesso, di un semplice moto browniano classico e forse può essere meglio approssimato da un moto Browniano attivo ( Steuernagel 1994, Schweitzer 1997, Ebeling 1999).In cui vengono considerati differenti aspetti.

Influenza deterministica, come la direzione del moto preferita. Influenza stocastica che può influenzare il moto deterministico. L’approvviggionamento di energia per il moto deterministico. La variazione di energia interna ( es la batteria). La conversione di energia interna in energia cinetica del moto.

L’equazione di Langevin di un moto del genere è della forma:

0

1( ) ( )

r v

v v U r tm

0

1( ) ( )

r v

v v U r tm

0

1( ) ( )

r v

v v U r tm

Dove η(t) è il classico rumore bianco gaussiano. L’equazione di Fokker -Planck relativa a questo processo prende la forma seguente.

0

( , , ) ( , , ) ( , , ) 1 ( , , )( , , ) ( )

P r v t P r v t P r v t P r v tvP r v t D v U r

t v v r m v

La soluzione stazionaria dell’equazione di Fokker -Planck è la distribuzione di BoltzmanSe viene presa in considerazione anche l’energia e la forza attiva l’equazione di Langevin ( in una dimensione ) che descrive la dinamica del sistema, prende la forma, già individuata da Ebeling e Schweitzer, a cui si rimanda per l’analisi completa.

0 2

20 2

( ( )) 2 ( )v d e t v U D t

e q ke d v e

Questo è un modo compatto di descrizione dello swarm robotica di un gruppo di microrobot.

229

Appendice IV

Algoritmi SLAM

230

Gli algoritmi SLAM ( Simultaneus Localization And Mapping)

Come si può ben comprendere navigazione e localizzazione sono argomenti estremamente importanti nell’ambito dei veicoli autonomi robotizzati sia terrestri che marini che aerei che spaziali.Sia negli US che in Europa, che in Australia sono stati sviluppati algoritmi che rendono capaci un veicolo di apprendere efficientemente una “mappa” del territorio che lo circonda e successivamente di utilizzare una tale “mappa” come base per pianificare la navigazione in tale ambiente in modo da poter portare a termine il compito atteso.Il principio dell’algoritmo SLAM ( Simultaneous Localization And Mapping) è basato su di un’elegante e sofisticata formulazione matematica che è capace di rappresentare gli aspetti identificati dell’ambiente mediante distribuzioni di probabilità.Sia muovendo un veicolo che una serie di veicoli per osservare i medesimi aspetti la distribuzione di probabilità di tali algoritmi si sviluppa in una serie flessibile di “mappe” che descrivono l’ambiente che deve essere esplorato.Allo stato attuale questi metodi sono capaci di risolvere efficacemente ambienti bidimensionali di grandezza modesta come un palazzo o una camera.Gli sforzi attuali sono tesi rispettivamente gestire:

un incremento della superficie degli ambienti, ad aumentare la capacità a risolvere eventi rari facilmente presenti in aree più vaste ad accrescere la capacità di calcolo per cercare di modellare l’ambiente in 3D

gli algoritmi SLAM forniscono un esempio dell’importanza di ricerche analitiche di base che inducono accelerazioni tremende nelle applicazioni pratiche.La difficoltà di gestire il coordinamento dinamico di operazioni su vasta scala usando il feedback sensoriale e la valutazione in tempo reale è estremamentew complesso come mostrato nella figura successiva ( fig4-1 ).

Fig IV-1 integrazione di sensori e navigazione in un’applicazione militare (WTEC 2006 )

Il problema dello SLAM consiste sostanzialmente nello stimare in maniera consistente la posizione del robot e la mappa dell’ambiente, data la storia delle osservazioni. Il problema fondamentale `e la forte interdipendenza tra i due termini da stimare.

231

Infatti per ottenere la mappa è necessario il posizionamento del robot, mentre per stimare la posizione ènecessario avere una mappa dell’ambiente.Il problema della mappatura robotica è di fatto quello di acquisire un modello spaziale dell’ambiente.Per acquisire una mappa il robot deve possedere dei sensori che siano in grado di percepire il mondo esterno. I sensori comunemente usati sono video camere, sonar, laser, tecnologia infrarossa , radar, sensori tattili, compassi e GPS.Tuttavia tutti i sensori sono soggetti ad errori, spesso definiti rumore delle misure.Cosa più importante , molti sensori sono soggetti a limitazioni tecniche e di range, queste limitazioni fanno si che i robot debbano navigare nell’ambiente quando devono costruire una mappa.I controlli usati nel corso dell’esplorazione ambientale portano importanti informazioni per la costruzione delle mappe, poiché essi convogliano le informazionicirca la collocazione a cui le differenti misure dei sensori sono state prese.Anche il moto dei Robot è soggetto ad errori, ed i controlli da soli sono insufficienti a determinare l’orientamento e la collocazione del robot nel suo ambiente.Un problema chiave nel mapping robotica nasce dalla natura delle misure di rumore.Problemi di modelling , come il mapping robotica , sono usualmente relativamente facili da risolvere se il rumore delle differenti misure è statisticamente indipendente.Se avviene questo il robot potrebbe prendere moltissime misure in modo da elidere gli effetti del rumore.Sfortunatamente, nel mapping robotico, gli errori che affliggono le misure sono statisticamente dipendenti. Questo avviene perché gli errori nel controllo si accumulano nel tempo, e l’accumulo disturba il suo modo di interpretare i futuri dati che deriveranno dai sensori.Pertanto , comunque un robot interferisca con l’ambiente, egli è soggetto ad errori sistematici , correlati in modo random.Il modo di valutare questi errori sistematici è la chiave per costruire, con successo, mappe ambientali ed è anche la chiave che complica il mapping in robotica.Per tali ragioni molti algoritmi di mapping sono sorprendentemente complessi, , sia dal punto di vista matematico , sia dal punto di vista implementativi.Il secondo aspetto di complicazione , nel mapping robotico, deriva dall’alta dimensionalità delle entità che devono essere mappati.Per comprendere la dimensionalità del problema , bisogna considerare, ad esempio, quanti dati sono necessari per descrivere un ambiente qualsiasi.Se ci si limita alla descrizione delle più importanti entità topologiche del luogo possono anche esser sufficienti poche dozzine di dati, ma una mappa dettagliata bidimensionale per essere corretta richiede spesso migliaia di numeri.E se si considera una mappa dettagliata 3D può richiedere milioni di dati.Dal punto di vista statistico ogni dato o numero può considerarsi una dimensione della stima del problema, pertanto i problemi di mapping sono problemi ad altissime dimensioni.Il terzo e più complesso aspetto del mapping è quello della corrispondenza dei punti, questo problema è correlato al fatto che bisogna determinare se le misure prese da un sensore in tempi e luoghi differenti possano corrispondere ad un medesimo oggetto.La difficoltà del problema della corrispondenza risiede nel fatto che il numero di ipotesi possibili può crescere esponenzialmente nel tempo.Negli ultimi anni il problema dello SLAM `e stato molto studiato e sono stati individuati differenti approcci. La maggior parte di essi si basa su una formulazione probabilistica del problema, nei termini di filtraggio bayesiano. Un’altra classe di metodi, invece, si basa sulla minimizzazione dell’energia del sistema fisico equivalente. Altri studiosi si sono soffermati su descrizioni topologiche dell’ambiente, fornendone metodologie per poter effettuare ragionamenti ad alto livello su di esse.

232

Nella tabella successiva vengono mostrati i metodi utilizzati

Kalman Lu/Milios EM Incremen-tal ML

Hybrid Occupancy Grids

Multi-Planar

Dogma

Maps

Representation landmark locations

point ob-stacles

point ob-stacles

landmark locations or grid

point ob-stacles

occupancy grids

objects and polygons

occupancy grids

maps

Uncertainty posterior poses and map

posterior poses and map

maximum likeli-hood map

(local) max-imum likeli-hood

maximum likeli-hood map

posterior map

maximum likeli-hood map

posterior map

map

Convergence strong no weak? no no strong weak weak Local Minima no yes yes yes yes no yes yes Incremental yes no no yes* yes yes no no Requires Poses no no no no no yes yes yes Sensor Noise Gaussian Gaussian any any any any Gaussian any Can map cycles yes no yes no yes, but

not n/a n/a n/a

nested

Map dimensionality

� 103 unlimited unlimited unlimited unlimited unlimited unlimited unlimited

Correspondence no yes yes yes yes yes yes yes Handles raw data

no yes yes yes yes yes yes yes

Dynamic env’s limited no no no no limited no yes

Tab IV-1 confronto fra gli algoritmi di rappresentazione (Thrun 2002 )

Un aspetto importante nello SLAM è quello di poter rappresentare la mappa.; la scelta dipende fortemente dal tipo di ambiente in cui si va ad operare, nonché dalle assunzioni che vengono fatte. Ambienti strutturati possono essere ben rappresentati da mappe basate su landmark, o mappe topologiche. Ambienti non strutturati, in cui sono presenti molte irregolarità, vengono rappresentati meglio con mappe metriche dense.Rappresentare la mappa `e uno degli aspetti fondamentali per poter affrontare il problema dello SLAM. Una buona rappresentazione dovrebbe avere una descrizione tale da permettere al robot di localizzarsi e navigare in maniera autonoma, ma al contempo evitare rappresentazioni che possano risultare in una complessità spaziale intrattabile. Inoltre le diverse rappresentazioni portano ad avere differenti soluzioni al problema, data la stretta relazione che incorre tra la definizione della mappa e l’elaborazione di essa.Di seguito vengono descritte le differenti soluzioni presenti in letteratura. Tali approcci possono essere suddivisi in tre grandi categorie:• approcci metrici• approcci topologici• approcci ibridi

Mappe MetricheAll’interno delle rappresentazioni metriche esistono due principali mdelli:• mappe basate su landmark• mappe basate su griglie

233

Mappe basate su landmarkLa rappresentazione basata su landmark descrive l’ambiente come un insieme di elementi caratteristici (landmark) disposti spazialmente all’interno di esso. Una mappa, quindi, viene rappresentata come un vettore K <l n, dove l `e la dimensionalità del singolo landmark e n `e il numero di landmark presenti. Ciò porta ad avere una rappresentazione compatta, ideale per poter costruire mappe su larga scala. In caso di rumore Gaussiano, inoltre, è possibile ottenere una rappresentazione compatta della distribuzione congiunta di tutti i landmark tramite una matrice di covarianza. In questo modo si ha che i blocchi sulla diagonale rappresentano l’incertezza dei singoli landmark, mentre quelli fuori diagonale le relazioni tra i vari landmark. Inoltre, assumendo che il sistema rappresentante il processo di mapping sia lineare, `e possibile ottenere una soluzione al problema semplicemente usando il filtro di Kalman.Mappe basate su griglieUna rappresentazione alternativa a quella basata su landmark `e quella di considerare la mappa come una griglia a due o tre dimensioni in cui viene mantenuta la probabilità che ogni singola cella sia occupata. Il modello maggiormente utilizzato è quello formalizzato da Elfes: Le Occupancy Grid.Uno dei maggiori vantaggi di questo tipo di rappresentazione è che può essere utilizzato in qualsiasi tipo di ambiente. L’utilizzare una rappresentazione a griglia, infatti, non dipende dalla struttura dell’ambientee rende questo approccio particolarmente efficace in ambienti non strutturati.La precisione della mappa, nonché la sua complessità spaziale, può essere regolata tramite la risoluzione della griglia.Lo scotto da pagare è che le rappresentazioni su griglia necessitano di molta memoria, e non permettono di essere scalate facilmente a situazioni su larga scala.Inoltre l’assunzione di “ambiente statico”, necessaria per aggiornare le occupancy grid, non ne permette l’utilizzo in ambienti dinamici. Infine l’occupazione di memoria è proporzionale alla dimensione dell’ambiente, non permettendone facilmente la scalabilità e l’operabilità in ambienti tridimensionali.

Mappe TopologicheUna mappa topologica rappresenta l’ambiente sotto forma di un grafo. I differenti approcci in letteratura [Shatkay and Kaelbling, 1997, Mataric, 1992, Kuipers and Byun, 1991] differiscono per quel che riguarda la semantica e l’ontologia, in particolar modo sulla definizione di luogo e su cosa debba essere considerato come un nodo o un arco.Le mappe topologiche sono una rappresentazione più compatta delle corrispettive mappe metriche, inoltre esse permettono di effettuare ragionamenti simbolici di alto livello per affrontare alcuni dei problemi legati alla robotica come la navigazione, la pianificazione di traiettorie e l’esplorazione.Recentemente `e stato proposto l’utilizzo dei grafi di Voronoi come rappresentazione topologica. In questo modo è possibile sfruttare questa rappresentazione come roadmap per pianificare le traiettorie.

Mappe IbrideLe mappe ibride cercano di integrare le due rappresentazioni precedenti. Sebbene i motivi che hanno portato alla loro definizione siano differenti è possibile trovare una struttura comune. Thrun [Thrun et al., 1998] è partito da una rappresentazione metrica per poi costruire una mappa topologica degli ambienti interni. Fabrizi e Saffiotti [Fabrizi and Saffiotti, 2000] hanno utilizzato tecniche di fuzzy image processing per estrarre una mappa topologica a partire dall’Occupancy Grid, tecnica più sofisticata e generalerispetto a quella utilizzata da Thrun. Diverso è stato l’approccio utilizzato da Kuipers [Kuipers et al., 2004], dove una mappa topologica viene utilizzata come base per poter integrare differenti sottomappe metriche.

234

Infine Huang e Beevers [Huang and Beevers, 2005] hanno affrontato il problema di come costruire una mappa topologica mediante l’utilizzo di più di un robot. Ogni robot costruisce la propria mappa topologica a partire dalla propria conoscenza del mondo. La costruzione della mappa topologica globale viene effettuata attraverso tecniche di merging dei grafi. Tali tecniche permettono di individuare sovrapposizioni di grafi basandosi sulla struttura delle connessioni.

Mappe tridimensionali

Un insieme tridimensionale di punti può esser creato dalle osservazioni ambientali di un laser verticale con la stima di posizionamento del veicolo,Data la stima del posizionamento del veicolo, che consiste nella sua posizione più nell’orientazione sul piano di appoggio, se supponiamo che non vi siano variazioni di altitudine allora i dati di osservazione possono essere trasformati in un insieme di punti 3D

Dove questo insieme di punti fornisce un’informazione sulla struttura del territorio vicino al robot, una rappresentazione parametrica della superficie dell’ ambiente fornisce un meccanismo di filtro del rumore e di riduzione della complessità del modello finale.Come primo passo può esser creata una superficie connettendo le successive riprese del laser, se la distanza fra i punti è al di sotto di una certa soglia.Sfortunatamente questo approccio genera una moltitudine di punti per cui si effettua un fitting di superfici piane con il data set 3D ( questa approssimazione è valida solo per interni) , questa operazione opera una significativa riduzione dei dati e quindi del modello risultante.Questa semplificazione fornisce anche un filtro per il rumore presente generato dai sensori e dal processo di localizzazione, assumendo che il rumore sia gaussiano.Le superfici piane sono rappresentate da equazioni standard del tipo Ax + By + Cz + D = 0 Per un insieme di punti V = {v1, . . . , vn} la normale del piano dei minimi quadrati si calcola risolvendo l’autovettore che corrisponde al minimo autovalore della matrice

Il più piccolo autovalore rappresenta la somma dei quadrati dei residui come è stato dimostrato da [H¨ahnel et al., 2001; M.Shakarji, 1998]. L’ultimo parametro del piano può esser trovato sostituendo il centroide e la normale nell’equazione del pianoCome mostrato nella tabella successiva

.

Ora lo step semplificativo è assunto come un off line, dell’operazione di fittine con il piano dei minimi quadrati come nell’algoritmo proposto da [Hahnel et al., 2001]. Le regioni piane crescono usando l’algoritmo precedente .

235

L’algoritmo è un po’ complesso perché l’’insieme di punti è trovato da un punto di partenza random v1 ed il suo più vicino punto v2. , poi si considera un punto candidato v’ per addizione al piano π se la distanza fra v0 aed un punto su π è minore di una soglia ε , in tal caso il punto appartiene al piano.

Appena una regione piana è identificata , allora I punti scelti sono proiettati sul piano dei minimi quadrati.Questo algoritmo è molto complesso ed anche lento, specialmente quando le porzioni di spazio da analizzare sono vaste.Per migliorare l’efficienza del sistema che può metterci anche giorni di calcolo in un ambiente come mostrato in figura, si è sviluppato presso il centro di eccellenza dell’università di Sidney un metodo dividi e conquista , cioè si sviluppa il firìtting planare su regioni più piccole.Poiché la regione trovata può esser limitata da una piccola superficie si risparmia tempo di calcolo , senza sacrificare troppo la qualità del risultatoIl processo divide ricorsivamente la mappa in sub-regioni fino a che porzione contiene meno punti di una certa quantità λ . l’algoritmo originale è applicato alle porzioni così ottenute e le regioni pianeottenute sono connesse mediante un altro algoritmo.In figura si vede la differenza che si ottiene tra una superfice 3D complessa ( giorni di calcolo) e la superfice ottenuta con la semplificazione dividi e conquista proposta.

Fig IV-2 nuvola di punti descrittivi e sua semplificazione per accorciare il tempo di calcolo

236

Appendice VRobot FANUC ad alta precisione per camera sterile

237

L’ LR Mate 200iB e l’ M-6iB sono robot dell’ultima generazione FANUC per stanze sterili. I primi robot di questa linea sono stati sviluppati nel 1984. Essi hanno sei assi , costruzione modulare e sono ottimizzati per operazioni di precisione , in ambienti a contaminazione controllata , ed occupano il minimo spazio.

Fig V-1 Movimentazione di Hard Disc in camera sterile

238

Tutte le misure sono im mm

239

Appendice VIDARPA Chemical Robots Proposal

240

CHEMICAL ROBOTSBAA 07-21, Addendum 2White Papers Due: May 3, 2007, no later than 4:00PM ET; Full Proposals Due: July 2, 2007, no later than 4:00PM ET. Technical Point of Contact: Dr. Mitchell R. Zakin, DARPA/DSO; Ph: (703) 248-1509, Email: baa07-21@darpa.mil; URL: www.darpa.mil/dso/solicitations/solicit.htm; Website Submission: https://www.sainc.com/dsobaa/

DESCRIPTION(Note: This BAA Addendum 2 is submitted as a Special Focus Area as described in the original BAA, 07-21.)

The ability to safely and covertly gain access to denied or hostile areas and perform useful tasks provides critical advantages to warfighters over a broad spectrum of military operations. An effective and logistically attractive means for gaining entry to denied areas is to deploy an unmanned platform, such as a robot. However, often the only available points of entry are small openings in buildings, walls, under doors, etc. In these cases, a robot must be soft enough to squeeze or traverse through small openings, yet large enough to carry an operationally meaningful payload. Current robotic platforms are constructed primarily from hard materials and, while capable of locomotion with embedded payloads, cannot change their physical dimensions to rapidly traverse arbitrary size/shape openings whose dimensions are much smaller than the robot itself and are not known a-priori.

In response to this challenge, the Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) is seeking innovative proposals to develop Chemical Robots (ChemBots): soft, flexible, mobile objects that can identify and maneuver through openings smaller than their static structural dimensions; reconstitute size, shape, and functionality after traversal; carry meaningful payloads; and perform tasks. ChemBots represent the convergence of soft materials chemistry and robotics to create a fundamentally new class of soft meso-scale robots that can perform the following key unit operations in sequence:

1. Travel a distance;2. Traverse an arbitrary-shaped opening much smaller than the largest characteristic dimension of the ChemBot;3. Reconstitute size, shape, and functionality after traversing the opening; 4. Travel a distance; and5. Perform a function using the embedded payload.

The first phase of this program focuses on the development of novel materials, material systems, and/or robot architectures, that can both move and morph under the influence of an appropriate driving force (e.g., electromagnetic, acoustic, chemical, etc.), as well as demonstration of a rudimentary meso-scale ChemBot. The specific Phase I milestone is presented under Program Goals and Milestones.

BACKGROUNDTo achieve the ChemBots vision, key technical breakthroughs will center on the development of materials and architectures that can both locomote and reversibly change their form factor in order to traverse small openings and reconstitute size/shape on the other side. There are two basic traversal mechanisms: squeeze through the opening, or first transform to the appropriate form factor and then traverse. Critical features that must be considered in the ultimate ChemBot devices are:

1. Morphability in all three dimensions;2. Architectures that can sense and morph responsively to openings, e.g., using local tactile sensing;

241

3. Flexible backbone structures or architectures that themselves morph or dissolve, then reconstitute -keystone that enables system;4. Payloads that remain viable after traversal. Hard payloads, including power sources, must be smaller than the largest characteristic size of the opening. Novel soft payloads that morph and reconstitute may be larger than this size;5. Modest power requirements. ChemBots may be self-powered, self-consuming, or energy-scavenging;6. Autonomous or user-controlled operation, depending on application. ChemBots must not be tethered to controllers or power sources;7. Meso-scale in size, preferentially with size-scalable architecture; and8. Robust over typical range of military operational conditions (temperature, humidity, rain, etc.).

Nature provides many examples of ChemBot functionality. Many soft creatures, including mice, octopi, and insects, readily traverse openings barely larger than their largest "hard" component, via a variety of reversible mechanisms. These mechanisms include (1) using elastic materials to twist, crumple, and bend with many degrees of freedom, (2) utilizing the flexibility of the musculoskeletal structure to squeeze through openings, and (3) exploiting reversible changes in modulus (i.e., flexible to stiff) to achieve dimensional reductions which can exceed 10:1. Soft invertebrates typically locomote by crawling, e.g., peristalsis (earthworms, caterpillars), pedal waves (snails, slugs), cilial motions, etc., and utilize means such as gripping, hooking, and suction to ensure sufficient traction with the terrain.

Potential approaches to achieve soft meso-scale robots include, but are not limited to:

1. Gel-solid phase transitions;2. Non-Newtonian systems (e.g., shear-thinning and -thickening fluids and gels);3. Shape-memory materials;4. Electro- and magneto-rheological materials;5. Electrostatic, electrostrictive, electro-osmotic, electroadhesive, and dielectrophoretic phenomena;6. Reversible chemical and/or particle association and dissociation;7. Geometric transitions, e.g., folding phenomena;8. Modulus-shifting materials; and9. New classes of materials and/or system architectures.

Any innovative approach that meets the goals of this BAA will be considered.

PROGRAM GOALS AND MILESTONESThe goal of this program is to develop a payload-carrying soft robotics platform that can be used in military operations to access denied territory through small openings and perform functions.

The ChemBots Program will be separated into two phases. The goal of Phase I is to develop critical material/architecture technologies and demonstrate a rudimentary meso-scale ChemBot with moving and morphing capabilities. Depending on the success of the Phase I demonstrations, the goal of Phase II will be to develop a suite of fully-functional ChemBots for specific applications.

Phase I will be a research effort of not more than 24 months; however, shorter duration efforts are strongly encouraged.

The Phase I milestone is:

1. Demonstrate a ChemBot, approximately the size (but not necessarily the form-factor) of a regulation softball (i.e., 30 cm circumference; 10 cm diameter; 500 cm3 volume), that can:a) travel a distance of 5 meters at a speed of 0.25 meters/minute;

242

b) achieve a 10-fold reduction in its largest dimension; andc) traverse through a 1 cm opening of arbitrary geometry and reconstitute its original size and shape, in 15 seconds.

Phase II is expected to be a research effort of between 18 and 24 months. The Phase II milestones will be determined by the results of the Phase I effort and the specific applications that are proposed.

To realize the program vision and meet the Phase I milestone, each research effort requires performers with expertise in materials chemistry and physics, robotics, command and control algorithms, and systems integration.

PROPOSAL SUBMISSIONWe anticipate a two-stage source selection. It is STRONGLY ENCOURAGED that a white paper be submitted according to the guidelines provided below.

White Paper and Full Proposal Deadlines White papers will be accepted until May 3, 2007, NO LATER THAN 4:00PM ET. All white papers will be reviewed no later than May 17, 2007, and recommendations for full proposals will be provided at that time. Full proposals will be due July 2, 2007, NO LATER THAN 4:00PM ET. White papers and proposals submitted by fax will not be accepted. All full proposal submissions will be evaluated regardless of the disposition of the white paper. Note that a full proposal may be submitted at any time before the close of the solicitation without having submitted a white paper.

White Paper Submission GuidelinesWhite papers of eight pages or less (not counting cover sheet) will be reviewed for the purpose of recommending the submission of full proposals. The white paper must include the following sections:

1. A cover sheet that includes the Technical Point of Contact's information (name, address, phone, fax, email, lead organization and business type), the title of the proposed work, the estimated cost, and the duration (in months) of the proposed work. (Note: cover sheet does not count towards page limit.)2. An executive summary, including a clear statement of the uniqueness of the idea. We are looking for revolutionary ideas that will firmly establish the field of soft robotics if the proposed work is successfully completed.3. A concise statement of the approach to the problem, the scientific and technical challenges inherent in this approach, and possible solutions for overcoming potential problems. Provide supporting technical analysis. This statement should end with a description of the proposed ChemBot architecture and an initial estimate of ChemBot performance. This statement will also serve to demonstrate an understanding of the state-of-the-art in the field.4. Briefly outline the research areas relevant to achieving program milestones, initial experiments to be conducted, and how progress towards these milestones will be assessed.5. A cost estimate for resources over the course of the proposed timeline. This cost estimate should include both labor and materials costs. 6. A summary of expertise of the key personnel on the project relevant to the program goals. If the team is multi-organizational, a proposed management structure should also be included.7. Brief list of relevant references.

Full Proposal Submission GuidelinesAs described in BAA 07-21, full proposals shall consist of two volumes: Technical and Cost. Follow the general guidelines for full proposal format and content provided at: http://www.darpa.mil/baa/BAA07-21pt2.html.

243

The Technical section of the research proposal must contain the following information:1. Concept Definition: Clearly describe the proposed materials, actuation, and systems architecture concepts for ChemBots. Describe the underlying physical mechanisms that enable locomotion, shape morphing, and reconstitution, including associated on-board power/computing requirements and resources. Describe the basic strategy for traversal through arbitrary size/shape openings.2. Supporting Technical Analysis: Provide a detailed analysis of the technical rationale that supports the proposed ChemBots concept, including performance estimates.3. Research Plan: Provide a detailed research plan that describes the methods for achieving the Phase I milestone specified in this Broad Agency Announcement. Provide several specific, quantitative milestones at intermediate stages of the program to assess progress towards meeting the Phase I milestone.4. Brief list of relevant references.

In addition, all proposals should be supplemented by a one-page Quad Chart describing the program objectives, relevance to the military population, performers, technical milestones, and Fiscal Year total budget. The Quad Chart should include a schematic illustration of the proposed concept showing the principle(s) of operation. The Quad Chart will not count against the total page limit.

244

Appendice VIIReport aggiornato sullo stato della ricerca robotica in Italia

(2007)

245

Survey sullo stato della ricerca robotica e della situazione potenziale di trend futuri di mercato in ambito nazionale

questionario (2007)

All’inizio del 2007 , pur consci della difficoltà di poter reperire informazioni esaustive, ad esempio l’UCIMU aveva inviato un questionario nel 2003 alle aziende ad essa aderenti e su 57 aziende solo 28 avevano risposto, si era deciso da parte dell ENEA di inviare una serie di questionari tramite la ditta TELEROBOT presente sul mercato del polo robotica di Genova.Le 4 schede previste 1 ( enti e centri di ricerca )2( Aziende già presenti sul mercato della robotica ) 3 (Aziende attualmente non presenti nel mercato della robotica) 4 (Aziende potenzialmente utilizzatrici di robotica di servizio).A valle di un invio puntuale con una mailing list di più di 200 nominativi I risultati sono stati Tabella 1: comprende tutte le risposte relative alle attività di ricerca e sviluppo. Contiene 85 schede ricevute da 24 Enti.Tabella 2: comprende tutte le risposte relative ad aziende già presenti sul mercato della robotica. Contiene 9 schede ricevute da 6 aziende diverse le due grandi aziende italiane ( COMAU e FINMECCANICA) hanno preferito non rispondere Tabella 3 Aziende non presenti 0 risposteTabella 4 Aziende potenzialmente presenti 0 risposte

Di seguito vengono presentate le tabelle 1 e 2 con i risultati

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Progetti di ricerca e sviluppo

Titolo del ProgettoDescrizione

Ente CompilatoreContact PersonEnte Capofila del progettoAltri partners

Origine del finanziamentoCosto totale del progettoData di inizioData di fineRisultati

Settore di mercato previsto

Utilizzatori finali

Titolo del progetto: Riportare per esteso il titolo del progetto e l’eventuale acronimo Descrizione: Riportare una breve descrizione degli obiettivi del progetto. Inserire

eventualmente un link ad allegati di maggior dettaglio. Ente Compilatore: Inserire l’Ente che compila la tabella Contact Person: Nominativo ed indirizzo e_mail del responsabile del progetto per l’Ente

compilatore Ente Capofila del progetto: Inserire l’Ente responsabile dell’intero progetto Altri partners: Elencare gli altri eventuali partners del progetto (Italiani e stranieri) Origine del finanziamento: Specificare se il finanziamento è Regionale, Nazionale,

Europeo o altro Costo totale del progetto: Inserire il costo totale previsto del progetto, indipendentemente

dalla percentuale di finanziamento Data di inizio: Inserire la data di inizio del progetto Data di fine: Inserire la data di fine del progetto, reale (se già finito) o prevista Risultati: Specificare il livello dei risultati: Ricerca di base; studio di fattibilità;

simulazione; progetto; prototipo; prototipo industrializzato Settore di mercato previsto: Riportare in quali settori del potenziale mercato della

robotica, fra quelli qui sotto elencati, i risultati del progetto possono più probabilmente essere impiegati:

247

Tabella per le Aziende già nel mercato della robotica

AziendaContact Person

Tecnologia da sviluppare/migliorare

Disponibilità a partecipare ad un progetto di ricerca

Applicazioni

Ricadute previste sul mercato dell’Azienda

Applicazioni su mercati diversi

Tempistica per lo studioTempistica per lo sviluppoTempistica per l’ingegnerizzazione

Azienda: Riportare il nome dell’Azienda compilatrice Contact Person: Nominativo ed indirizzo e_mail della persona di riferimento per l’Azienda

compilatrice Tecnologia da sviluppare/migliorare: Riportare una breve descrizione della tecnologia che

l’Azienda vorrebbe venisse sviluppata/migliorata attraverso un progetto di ricerca. Inserire eventualmente un link a documenti allegati di maggior dettaglio.

Disponibilità a partecipare ad un progetto di ricerca: Dichiarare la disponibilità a partecipare ad un progetto di ricerca con una parte di autofinanziamento ed a quali condizioni.

Applicazioni: Riportare le applicazioni prevedibili per questa tecnologia Ricadute previste sul mercato dell’Azienda: Riportare come la presenza sul mercato

dell’Azienda potrebbe essere consolidata, sia in termini qualitativi (es.: ampliamento del

248

Tabella per le Aziende non attualmente presenti nel mercato della robotica

AziendaContact Person

Prodotto da sviluppare

Disponibilità a partecipare ad un progetto di ricerca

Disponibilità ad investire sul prodottoObiettivo di prezzo

Ricadute previste sul mercato dell’Azienda

Tempistica per lo studioTempistica per lo sviluppoTempistica per l’ingegnerizzazione

Azienda: Riportare il nome dell’Azienda compilatrice Contact Person: Nominativo ed indirizzo e_mail della persona di riferimento per l’Azienda

compilatrice Prodotto da sviluppare: Riportare una breve descrizione del prodotto che l’Azienda

vorrebbe venisse sviluppato attraverso un progetto di ricerca. Il prodotto deve avere caratteristiche tali da inserirsi nel mercato attualmente presidiato dall’Azienda, ma comprendere aspetti di tecnologia robotica, non necessariamente già patrimonio dell’Azienda stessa. (Es. un produttore di elettrodomestici potrebbe essere interessato a sviluppare l’aspirapolvere robotizzato, ma potrebbe non avere le necessarie conoscenze tecnologiche) Inserire eventualmente un link a documenti allegati di maggior dettaglio, sopratutto a sostegno delle aspettative del mercato per questo tipo di prodotto.

Disponibilità a partecipare ad un progetto di ricerca: Dichiarare la disponibilità a partecipare ad un progetto di ricerca con una parte di autofinanziamento ed a quali condizioni.

Disponibilità ad investire sul prodotto: Dichiarare la disponibilità ad investire per ingegnerizzare, produrre, commercializzare, assistere, etc. il prodotto ed entro quali limiti

Obiettivo di prezzo: Indicare il prezzo a cui il prodotto potrebbe essere accettato dal mercato

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Tabella per le Aziende potenzialmente utilizzatrici di tecnologie robotiche di servizio

AziendaSettore merceologico

Contact Person

Parte del processo produttivo migliorabile con tecnologie robotiche

Problemi che potrebbero essere risolti con tecnologie roboticheDisponibilità a partecipare ad un progetto di ricerca

Disponibilità ad apportare eventuali modifiche al processo Vantaggi previsti per l’Azienda

Tempistica per lo studioTempistica per lo sviluppoTempistica per l’ingegnerizzazione

Azienda: Riportare il nome dell’Azienda compilatrice Settore merceologico: Indicare in quale settore merceologico opera l’Azienda Contact Person: Nominativo ed indirizzo e_mail della persona di riferimento per l’Azienda

compilatrice Parte del processo produttivo migliorabile con tecnologie robotiche: Indicare quali parti

del processo produttivo potrebbero essere migliorate dall’applicazione di tecnologie robotiche innovative (robotica di servizio). Ad esempio:

Produzione Logistica interna Magazzino Controllo qualità

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Centri di ricerca Italiani

Titolo del Progetto

Descrizione Ente Compilatore

Contact Person

Ente Capofila del

progetto

Altri partners

Origine del finanziamen

to

Costo totale del progetto

Data di inizio

Data di fine Risultati Settore di mercato previsto

Utilizzatori finali

Note e links

Vision and Chemiresistor Equipped Web-connected Finding Robots

ALCOR Laboratory, Dipartimento di Informatica e Sistemistica, universita’ di Roma “La Sapienza”

Fiora Pirri Sheffield Hallam University

EU 02-gen-07 Sicurezza End users: Protezione Civile, Vigili del Fuoco, etc...

http://www.dis.uniroma1.it/~alcor/home/article.php3?id_article=9

EU AccuRobAs

Progetto europeo per lo sviluppo di un robot chirurgico europeo.

ALTAIR --Universitá di Verona

Paolo Fiorini Univ. Karlsrhue (Germania)

DLR (Germania), Univ. Paris VI (Francia), Univ. Montpellier II (Francia)

EU 3.2 M Euro 01/10/06 30/09/09 TBD Chirurgia robotica

Produttori di robot e attrezzature chirurgiche

ROSTA Coordination action europeo per lo sviluppo di standards in robotica.

ALTAIR --Universitá di Verona

Paolo Fiorini Fraunhofer-IPA Stoccarda (Germania)

Universita' di Bonn-Rhein-Sieg (Germania), Univ. di Lunds (Svezia), Sagem (Francia), GPS (Germania), Visual Components (Finlandia), EUnited (Belgio)

EU 0.9 M Euro 01/01/07 31/12/09 TBD Tutti Tutti i produttori di robot e di sistemi collegati

XPERO Progetto europeo per lo sviluppo di metodi di apprendimento per robot basati sulla sperimentazione fisica dell’ambiente circostante.

ALTAIR --Universitá di Verona

Paolo Fiorini Universita' di Bonn-Rhein-Sieg (Germania)

Fraunhofer-AIS Bonn (Germania), Politecnico di Vienna (Austria), Universitá Americana di Parigi (Francia), Universitá di Lubiana (Slovenia).

EU 2.8 M Euro 01/04/06 31/03/09 TBD Service robotics

Produttori di robot di servizio e per le abitazioni.

251

LEPRE Lunar Electric Propulsion Explorer Veicolo ad Alta Mobilità per l’esplorazione della superficie lunare. Sistema definito nell’ambito del Progetto EXPLORA, dedicato alleattività connesse con l’esplorazione dello spazio, nel contesto, più generale del Programma PRORA (PROgramma di Ricerche Aerospaziali).

CIRA –PMAS –(Space Programs Office)

F. Curreri –A. Sansone CIRA -Centro Italiano di Ricerche Aerospaziali Via Maiorise - 81043 -Capua (CE) –Italy Phone: + 39-823-623561 and 623829 E-mail: a.sansone@cira.it Fax: + 39-823-623335 www.cira.it

CIRA Alcatel Alenia Spazio, Alta, INAF, Telespazio, Skytech

N/A N/A N/A N/A Studio di Fattibilità e Proposta ad ASI

Comunità Scientifica

Sistema di anti-intrusione costiera e portuale sottomarina

Studio di fattibilità, supportato da attività sperimentale focalizzata su tecnologie critiche, per l'individuazione di metodologie e tecnologie da utilizzarsi nell'ambito dell'anti-intrusione costiera e portuale sottomarina in contesti applicativi non militari.

CNR-ISSIA Genova

Massimo Caccia

CNR-ISSIA Genova

CNR-ISMAR, INGV, ENEA, ISME, Wass, Colmar, Sielco, GraalTech

Regione Liguria PRAI-FESR

774180 € di cui finanziati 534268 €

2005 2007 Ricerca di base; studio di fattibilità; simulazione; progetto; prototipo

Security Integratori di sistemi robotizzati -Produttori di apparecchiature per la sicurezza

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Sistemi robotici autonomi e controllo

Il progetto (commessa CNR SP3-03) si occupa dello studio di sistemi robotici in grado di agire autonomamente in ambienti non strutturati con particolare attenzione alle piattaforme sw/hw di sviluppo, alle architetture di controllo, ai sistemi di stima del moto, guida e controllo su base sensoriale (sistemi a tempo continuo, sincroni), ed ai sistemi di controllo di esecuzione, coordinazione e controllo di missione (sistemi a tempo discreto, asincroni). L'attività di ricerca, a carattere teorico-sperimentale, è supportata dallo sviluppo di piattaforme robotiche mobili prototipali

CNR-ISSIA Genova

Massimo Caccia

CNR-ISSIA Genova

CNR ordinario

2005 2011 Ricerca di base; prototipo

Security Integratori di sistemirobotizzati Produttori di apparecchiature per la sicurezza

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per ambiente marino, che presenta le caratteristiche tipiche di un ambiente non strutturato.

Sensor-based guidance and control of autonomous marine vehicles: path-following and obstacle avoidance

Collaborazione bilaterale CNR-CNRS. La ricerca prevede lo studio ed implementazione di algoritmi per la guida ed il controllo di veicoli marini autonomi e la sperimentazione tramite l'USV Charlie e l'AUV Taipan.

CNR-ISSIA Genova

Massimo Caccia

CNR-ISSIA Genova

CNRS LIRMM Montpellier

CNR bilaterale

2006 2007 Ricerca di base; simulazione; progetto; prototipo

Security Integratori di sistemi robotizzati Produttori di apparecchiature per la sicurezza

ROBOTICA UMANOIDE

Siamo interessati allo sviluppo di diversi aspetti della robotica umanoide, sia per trarre ispirazione da meccanismi naturali nella costruzione dei robot che per spiegare mediante i robot alcune teorie neuronali/comportamentali.Parte del lavoro è

DEI, POLITECNICO DI MILANO, piazza L da Vinci 32, 20133 Milano

Giuseppina Gini gini@elet.polimi.it

Politecnico di Milano

CCR Ispra Marek Perkowsky, University of Oregon IMT Lucca

Finanziamenti parziali da diverse fonti quali:ENEA/MURST European Science Foundation COST 282 EU ION Craft Agreement di cooperazione con CCR Ispra (Ruiz Morales)

150000,00 2000 Continua ad evolvere

Vedi al link http://www.elet.polimi.it/upload/gini/Humanoid.htm dove si evidenziano:sistemi di controllo neurale per la manipolazione (simulazione e prototipo) progettazione bio-ispirata di braccio, mano, gamba (progetto e prototipo) studio di andature

Entertainment Medicina e riabilitazione Supporto ad anziani e disabili

Integratori di sistemi robotizzati Produttori di apparecchiature biomedicali Produttori di elettrodomestici

http://www.elet.polimi.it/upload/gini/Humanoid.htm

254

anche di simulazione ed elaborazione dati.Vedi al link http://www.elet.polimi.it/upload/gini/Humanoid.htm

(progetto e simulazione) interfacce haptic per il controllo e le realtà virtuali (prototipo) teleprogrammazione del robot (prototipo) applicazione dei metodi in protesi e sistemi di riabilitazione (simulazione e prototipo)

Post Earthquake emergency: Methods, Techniques and Support Instrumentation

Realizzazione di un sistemi robotici a supporto degli operatori del soccorso in emergenze post-terremoto, e, più in generale, in situazioni a rischio per l’operatore umano. In particolare, il progetto mira a favorire l’interazione, lo scambio di conoscenze e lo sviluppo di iniziative comuni tra i ricercatori Italiani impegnati in progetti di robotica applicata alle

Dipartimento di Informatica e Sistemistica Uni. “La Sapienza”

Daniele Nardi

Dipartimento di Informatica e Sistemistica Uni. “La Sapienza”

Istituto Superiore Antincendi, Roma Tohoku Univ, Sendai International Rescue System Institute, Tokyo Tokyo Institute of Technology

Internazionale, MAE Cooperazione Scientifica Italia Giappone

137.600 Euro gen-04 Dicembre 2006. Proposta estensione per il 2007

Ricerca di base. Realizzazione di un sistema prototipale per l’esplorazione di ambienti indoor a rischio per l’intervento dell’operatore

Security, Robotica per l’emergenza e per la sicurezza

Vigili del Fuoco, Protezione Civile, Polizia ed altri enti.Interessati alla industrializzazione:Produttori di robot industrialiIntegratori di sistemi robotizzatiProduttori di apparecchiature per la sicurezza

255

operazioni di soccorso ed i ricercatori giapponesi impegnati nel citato progetto “DaiDaiToku”.

Sistemi di simulazione e robotici per l'intervento in scenari di emergenza

Realizzazione di un sistema robotica prototipale in grado di esplorare autonomamente ambienti interni allo scopo di fornire informazioni sulla presenza di persone e sul fenomeno che causa l’emergenza. http://www.dis.uniroma1.it/~multirob/SRSOES.html

Dipartimento di Informatica e Sistemistica Uni. “La Sapienza”

Daniele Nardi

Dipartimento di Informatica e Sistemistica Uni. “La Sapienza”

Università di Roma III, Politecnico di Milano

Nazionale, MIUR PRIN 2003

171.000 Euro (di cui 120.000 finanziati dal MIUR)

nov-03 nov-05 Ricerca di base.Realizzazione di un sistema prototipale per l’esplorazione di ambienti indoor a rischio per l’intervento dell’operatore

Security, Robotica per l’emergenza e per la sicurezza

Vigili del Fuoco, Protezione Civile, Polizia ed altri enti. Interessati alla industrializzazione: Produttori di robot industriali Integratori di sistemi robotizzatiProduttori di apparecchiature per la sicurezza

http://www.dis.uniroma1.it/~multirob/SRSOES.html

Soccer Player Quadruped Robots

Realizzazione di un sistema robotico prototipale, basato sulla piattaforma Sony AIBO, in grado di giocare a calcio secondo le regole previste in RoboCup per la 4-legged league. http://www.dis.uniroma1.it/~spqr/cms/

Dipartimento di Informatica e Sistemistica Uni. “La Sapienza”

Daniele Nardi

Dipartimento di Informatica e Sistemistica Uni. “La Sapienza”

Nazionale, Varie fonti di finanziamento

150.000 Euro (stimato)

2000 In corso Ricerca di base. Realizzazione di un sistema prototipale per il gioco del calcio con robot Sony AIBO

Enterteinment

Produttori di robot industrialiIntegratori di sistemi robotizzati

http://www.dis.uniroma1.it/~spqr/cms/

256

ADAPT: Artificial Development Approach to Presence Technologies

The main objective of ADAPT is to study the process of building a coherent representation of visual, auditory, and haptic sensations and how this representation can be used to describe/elicit the sense of presence. The goal is the "understanding" of representation in humans and machines. We intend to pursue this in the framework of development: i.e. by studying the problem from the point of view of a developing system.Development, in addition to learning, includes the growth and maturation of the organism that is structural changes in addition to parametric changes. Within this framework

DIST –Università degli studi di Genova –LIRA-Lab

Prof. Giulio Sandini –Prof. Giorgio Metta

DIST –Università degli studi di Genova –LIRA-Lab

University of Zurich Centre National de la Recherche Scientifique –France Univ. Pierre and Marie Curie –UM7593 -France

Finanziamento Europeo

469.000 Euro (Valore del Finanziamento)

01/10/2002 30/09/2005 Realization of a robotic hand and experimentation on robot manipulation; Realization of different robotic setups to test the effect of morphology; Experiments on the effects of changes in the morphology of the artifacts; Results of behavioral experiments in infants; Modelling of coherent representations; Artificial intentional architecture.

Nuove applicazioni industriali

Integratori di sistemi robotizzati

257

we will use two methodologies: on one side we will investigate the mechanisms used by the brain to learn and build this unified representation by studying and performing experiments with human infants; on the other side we intend to use artificial systems (i.e. robots) as models and demonstrators of perception-action-representation theories. We will employ a synthetic methodology (i.e. a methodology of "understanding by building") which consists of three parts or steps:(i) modelling aspects of a biological system,(ii) abstracting general principles of intelligent

258

behaviour from this model, and (iii) applying these principles to the design of intelligent artefacts.

CogVis: Cognitive Vision Systems

Cognitive vision systems include facilities for ``understanding'', ``knowing'' and ``learning''. Understanding here involves both recognition/categorization of objects and events, through association of semantic labels with data from the scene. Interpretation does, however, also involve interpretation and reasoning to enable construction of rich semantic models of the

DIST –Università degli studi di Genova –LIRA-Lab

Prof. Giulio Sandini

Royal Institute of Technology -Sweden

Royal Institute of Technology –Sweden Hamburg University Max-Planck Institute for Biological Cybernetics Leeds University Dipartimento di Informatica, Sistemistica e Telematica Swiss Federal Institute of Technology Zurich University of Ljubljana

Finanziamento Europeo

1.100.902 Euro (Valore del Finanziamento)

01/05/2001 30/04/2004 The project has as objectives the development of basic methods for recognition / categorization of objects and events/actions in large scale scenarios, new methods for robust interpretation of dynamic scenes, methods for acquisition of basic skills and environmental models, and techniques for fully distributed control of continuously operating systems. The methods studied will be integrated

Nuove applicazioni industriali, Apparecchiature domestiche, Security

Integratori di sistemi robotizzati

http://cogvis.nada.kth.se/

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environment. Knowing implicitly specifies a need to consider memory as a common basis for representation and maintenance of information, including methods for associate access. Systems with a realistic complexity cannot be engineered. There is consequently a need for methods for automatic acquisition of models and representations to allow the system to operate in a open-ended fashion, i.e. beyond initial specifications. Finally the above issues can only be addressed in a meaningful manner in the context of a fully operational system, which implies that it must be embodied and

in prototype systems. Many of the results within the project will be of immediate industrial utility.

260

continuously operating. To address the issues outlined above the work has been organized into four work-packages: i) Recognition and Categorization of Objects, Structures and Events, ii) Reasoning and Interpretation about Scenes and Events, iii) Learning and Adaptation, and iv) Control and Integration. Through the work in each of these packages and integration of these efforts into a number of operational systems the key issues in cognitive vision will be studied. Particular emphasis is placed on studies of these systems in realistic settings and through combination of static and

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dynamic information to allow interpretation, control and knowledge acquisition to operate in concert.

CONTACT: Learning and development of Contextual Action

As infants, each one of us developed the ability to move our muscles to manipulate objects and also to communicate with gestures and speech. Did we learn to perceive and produce gestures for manipulation and speech independently, or are these two learning processes linked? The CONTACT project is an ambitious attempt to investigate the parallel development of manipulatory

DIST –Università degli studi di Genova –LIRA-Lab

Prof. Giulio Sandini

DIST –Università degli studi di Genova –LIRA-Lab

Dipartimento di Informatica, Sistemistica e Telematica University of Ferrara Dept. of Linguistics, Stockholm University Istituto Superior Técnico -Portugal

Finanziamento Europeo

2.368.000 Euro (Valore del Finanziamento)

01/09/2005 30/08/2008 The project should yield progress on the following: Procedures that enable a robot to mimic significant aspects of the way in which human infants learn to perceive and produce simple manipulatory gestures and words. New understanding of the role of specific areas of the brain, particularly "Broca's area", in speech development and production. New insights

Nuove applicazioni industriali, Medicina e riabilitazione, Supporto ad anziani e disabili

Integratori di sistemi robotizzati, Produttori di apparecchiature biomedicali

262

and speech-related motor acts from a multi-disciplinary perspective. The project is designed to test the hypothesis that fundamentally similar mechanisms are involved in the development of perception and production for both speech and manipulation. This hypothesis is stimulated by recent evidence suggesting that the human brain interprets motor acts (movements) of other people in essentially the same way, regardless of whether the act generates speech or a manipulative gesture.

into how exploration allows infants to develop manipulative skills. An improved model andoverall theoretical understanding of the links between gesturing for manipulation and for communication.

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MIrror neuRons based RObot recognition

The Mirror addresses a few scientific aspects. First of all we are interested in sensorimotor development in humans and in particular how visual and motor representations are learned and used to control complex motor acts such as grasping. We intend to do that by designing and performing behavioral experiments on infants of different age. Secondly we are interested in testing our ideas by implementing artifacts in the shape of behaving robotslearning to perform and recognize actions. Finally the "Mirror" points to the idea of studying the representation of grasping within the framework of the so called

DIST –Università degli studi di Genova –LIRA-Lab

Prof. Giulio Sandini –Prof. Giorgio Metta

DIST –Università degli studi di Genova –LIRA-Lab

Department of Biomedical Sciences University of Ferrara Instituto Supériore Tecnico –Lisbon University of Uppsala

Finanziamento Europeo

1.100.902 Euro (Valore del Finanziamento)

01/09/2001 30/03/2004 new technologies; an artificial system able to interact with humans using gestures; better understanding of human visuomotor representation and learning.

Nuove applicazioni industriali, Apparecchiature domestiche

Integratori di sistemi robotizzati

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"mirror neurons". Mirror neurons were discovered in the monkey's brain and have the unique property of being activated not only when the monkey performs specific grasping actions (not strange for a motor neuron!) but also when the monkey sees the same grasping action performed by someone else (i.e. the mirror image of its own body). In the framework of the project each mirror neuron represent a living example of the existence of visuomotor representations in the brain of monkeys (and most probably in the brain of humans too) . In order to investigate how this

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representation is learned and used, besides experiments with infants and robots, experiments with monkeys and adult humans will also be performed within the project.

RESCUER: Improvement of the Emergency Risk Management through Secure Mobile Mechatronic Support to Bomb Disposal and Rescue Operations

The RESCUER project focuses on:a) the development of an intelligent Information and Communication Technology andEmergency Risk Management tool and on testing it in five Improvised Explosive Device Disposal, and Civil Protection Rescue Mission scenarios. RESCUER will implement also a ad-hoc software for Emergency

DIST –Università degli studi di Genova –LIRA-Lab

Prof. Giulio Sandini

Budapesti Muszaki es Gazdasagtudomanyi Egyetem

University of Rousse “Angel Kanchev” –Bulgaria University of Wales, Cardiff –United Kingdom Robotnik Automation SLL – Spain Council of Ministers of the Republic of Bulgaria Democritus University of Thrace –Greece Duvideo –Cooperativa de Profissionais de Imagem CRL –Portugal Tardito Costruzioni Impianti Srl -Italia

Finanziamento Europeo

2.000.000 Euro (Valore del Finanziamento)

01/11/2004 30/06/2008 The project output will be an assistance software for the management of risk, plus a mobile robot with multifunctional tools, two simultaneously working robot arms with dextrous grippers. The combined use of the two systems willimprove risk management because of the integration of 1) a mobile robot, 2) intelligent methods for bomb disposal and rescue operations, and 3) IT techniques for the

Security, Robotica industriale tradizionale

Produttori di apparecchiature per la sicurezza

http://www.rescuer-ist.net/index.php?option=com_frontpage&Itemid=1

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Risk Management Monitoring and Advisingthat will integrate the information flows from the different sources and will generate decisions.b) the development of an intelligent mobile robot capable of achieving given goals under conditions of uncertainty. In contrast to existing automated bomb disarming systems, which are, by definition, pre-programmed. The RESCUER mobile robot will include multifunctional tools, two simultaneously working robot arms with dextrous grippers, smart sensors for ordnance, for human detection and for the assessment of the environment.

management of rescue missions.

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RobotCub: Robotic Open-architecture Technology for Cognition, Understanding and Behaviours

The main goals of RobotCub are two: tocreate an open robotic platform for embodied research that can be taken up and used by the research community at large to further their particular approach to the development of humanoid-based cognitive systems, and to advance our understanding of severalkey issues in cognition by exploiting this platform in the investigation of cognitive capabilities. The scientific objective of RobotCub is, therefore, to jointly design the mindware and the hardware of a humanoid platform to be used to investigate human cognition and human-machine interaction.

DIST –Università degli studi di Genova –LIRA-Lab

Prof. Giulio Sandini –Prof. Giorgio Metta

DIST –University of Genoa –LIRA-Lab

Dipartimento di Informatica, Sistemistica e Telematica University of Ferrara Istituto Superior Técnico –Portugal University of Zurich Scuola Superiore S.Anna –Italy Ecole Politechnique Federale de Lausanne University of Hertfordshire Telerobot Srl University of Salford Uppsala Universitet

Finanziamento Europeo

8.500.000 Euro (Valore del Finanziamento)

01/09/2004 30/08/2009 Discovering the manipulation abilities of its own body: • Learning to control one’s upper and lower body (crawling, bending the torso) to reach for targets. • Learning to reach static targets. • Learning to reach moving targets. • Learning to balance in order to perform stable object manipulations when crawling or sitting. Discovering and representing the shape of objects: • Learning to recognize and track visually static and moving targets. • Discovering and representing object affordances (e.g. the use of “tools”). Recognizing manipulation abilities of others and relating those to one’s own

Apparecchiature domestiche, Nuove applicazioni industriali, Supporto ad anziani e disabili

Integratori di sistemi robotizzati

http://www.robotcub.org/

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We call this platform CUB or Cognitive Universal Body. It is worth remarking that the results of RobotCub will be fully open and consequently licensed following a General Public (GP) license to the scientific community. Among the activities planned in the project, there is an important component devoted to the support of the open initiative which aims at establishing an international Research and Training Site with the following institutional activities: Maintenance and update of the CUB. At least three complete systems will be available at the site. Training of scientists (both

manipulation abilities: • Learning to interpret and predict the gestures of others. • Learning new motor skills and new object affordances by imitating manipulation tasks performed by others. • Learning what to imitate and when to imitate others’ gestures. Learning regulating interaction dynamics: • Approach, avoidance, turn-taking, and social spaces. • Learning to use gesture as a means of communication. Developing robot "personalities" via autobiographic memory based on interaction histories: • Learning about meaningful events in the lifetime of the robot. •

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national and international) and students on the preparation, utilization, and development of new components for the CUB. Multidisciplinary Research Center open to scientists not yet in the position to embark on the construction and setup of a complete laboratory and/or a full humanoid to start nonetheless their research agenda in embodied cognition.

Sharing memory (events) during interaction.

ANSER –Airport Nonstop Surveillance Expert Robot

Sistema integrato di sorveglianza per vaste aree outdoor e indoor comprendente robot in grado di effettuare ronde

DIST –Università di Genova

Renato Zaccaria -renato.zaccaria@unige.it

DIST –Università di Genova

Genova Robot, Telerobot, Aitek.

Regionale 300 Keuro set-04 set-06 Prototipo Porti, aeroporti, stadi, distripark, magazzini, depositi, garage.

Produttori di apparecchiature per la sicurezza; Enti pubblici e privati di gestione e servizi.

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autonome e sistemi fissi di telesorveglianza. Il progetto si concentra sull'autonomia del robot mobile, in grado di effettuare percorsi dell'ordine di Km in cui vari sensori (laser scanner, prossimità, IR, gas ecc.) individuano situazioni di allarme, allertando le telecamere fisse e un posto operatore.

STAFFETTA – Robot per trasporto indoor in edifici intelligenti

Robot mobile autonomo di medie dimensioni (0.9 X 0.6 m) capace di muoversi all'interno di edifici per trasporto. Il robot è integrato nella rete di automazione di edificio e si localizza tramite fusione multisensoriale. Un ambiente software di supervisione e controllo è in grado di

DIST –Università di Genova

Renato Zaccaria -renato.zaccaria@unige.it

DIST –Università di Genova

Genova Robot, Telerobot, Aitek.

Europeo, Nazinale, Regionale

2Meuro 2001 2007 Prototipo industrializzato

Ospedali, comunità, alberghi, supporto per anziani e disabili.

Enti pubblici e privati di gestione e servizi.

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interfacciare il sistema informativo aziendale con il robot stesso. Il robot svolge anche azione di sorveglianza mediante telecamere e sensoi multipli.

ROBOSWARM

Squadre di robot cooperanti per compiti di pulizia, sicurezza, inspection, utilizzanti in modo massivo la tecnologia RFID con una base di conoscenza e una interfaccia utente basata su servizi web.

DIST –Università di Genova

Giorgio Cannata -giorgio.cannata@unige.it

Università di Tallinn

Consorzio europeo 6th FP

Europeo 300 Keuro nov-06 ott-09 Ricerca di base

Apparecchiature domestiche, Entertainment, Nuove applicazioni industriali, Pulizia, Security

SPACE ROVER

Rover per esplorazione planetaria con capacità di navigazione autonoma basata su stereo camera.

DIST –Università di Genova

Antonio Sgorbissa -antonio.sgorbissa@unige.it

Genova Robot

Nazionale 50 Keuro 2006 2007 Ricerca di base

Esplorazione planetaria

Eurobot Wet Model

Sviluppo del test-bed sperimentale in vasca, e relativo sistema di controllo, del robot a tre arti operativi

DIST-UNIGE (GRAAL)

Prof. Giuseppe Casalino casalino@dist.unige.it

Alcatel Alenia Space

? richiedere ad Alenia (Giorgio.Battistoni@aleniaspazio.it )

European Space Agency

? richiedere ad Alenia (Giorgio.Battistoni@aleniaspazio.it )

2005 2007 Il sistema robotico

Spazio International Space Station

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da impiegare sull’International Space Station per attività a supporto degli astronauti

Strutture robotiche a tecnologia modulare per applicazioni industriali

Sviluppo di componenti meccatronici componibili in strutture robotiche complesse automaticamente connesse in rete locale, con caratteristiche di operatività plug&playauto-organizzanti

DIST-UNIGE (GRAAL)

Prof. Giuseppe Casalino casalino@dist.unige.it

DIST-UNIGE (GRAAL)

DIMEC-UNIGE

Parco Scientifico e Tecnologico Liguria

100.000 Euro 2005 2007 Un dimostratore robotico modulare

Nuove applicazioni industriali;Robotica di servizio

Produttori di sistemi robotic

Automazione Distribuita Modulare per Sistemi Robotizzati Cooperanti ad Alta Flessibilità Operativa

Messa a punto di metodologie, strategie e tecnologie abilitanti per lo sviluppo di squadre di veicoli autonomi, sia per ambienti terrestri (di tipo outdoor e scarsamente strutturati) che marini (sia subacquei che di superficie).

DIST-UNIGE (GRAAL)

Prof. Giuseppe Casalino casalino@dist.unige.it

SELEX-SI OTO-MELARA, BOMBARDIER, ELSAG, MARCONI, CETENA, ANSALDO ENERGIA, DIBE-UNIGE, DISI-UNIGE, Consorzio PMI.

Distretto Scientifico e Teconologico Ligure - SIIT

3.600.000 Euro

2007 2009 Squadre di veicoli autonomi cooperanti in grado di svolgere missioni di pattugliamento esteso di aree sensibili.

Sicurezza Produttori di robot - Enti per la sicurezza di porti o aree a rischio

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Mobile Robot Software Platform

Piattaforma software real-time per sviluppo rapido di applicazioni di robotica mobile. ERXA ritiene che aspetto fondamentale per risolvere la complessità di base della robotica autonoma e delle sue specializzazioni risieda nella definizione di una nuova architettura software, di un sistema di base e di un approccio sistemistico differente dalle soluzioni normalmente presenti in ambito industriale, che possa realmente rappresentare la chiave risolutiva per le applicazioni oggetto della ricerca. La piattaforma è un innovativo sistema software di controllo dotato delle funzionalità di controllo

ERXA s.r.l. Marco Ricci nessuno interno Il progetto è nato dall’adattamento del prodotto interno ERXA chiamato E-RTP. Pertanto il costo del progetto riguarda l’adattamento del prodotto interno alla robotica mobile e al suo porting su sistemi operativi diversi. Costo: 200.000 euro.

01/01/2005 31/12/2007 Prototipo Robotica Mobile di servizio, in particolare per: Sicurezza Protezione civile Esplorazione

Integratori di sistemi robotizzati Produttori di robot mobili Produttori di sistemi per la sicurezza

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di robot industriali e mobili ma in più integra nuove funzionalità quali: regolazioni di processo, portabilità su hardware CPU differente in modo da mantenersi al passo con l’evoluzione elettronica, possibilità di integrare sistemi I/O differenti, multiprocessore, multitasking, possibilità di integrare software utente per aggiungere controlli e strategie di regolazione. La piattaforma gira su diversi sistemi operativi tra i quali VxWorks, Linux RTAI e Windows CE. Inoltre il sistema di controllo nasce come PIATTAFORMA DI PRODOTTO e quindi con l’obiettivo di poter/dover

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essere apertosia da un punto di vista delle interfacce (sviluppo di applicazioni che utilizzano il sistema di controllo) ma soprattutto strutturale, potendo integrare ed eseguire software utente (sviluppo di applicazioni che personalizzano il comportamento del sistema di controllo). La piattaforma presenta le seguenti principali caratteristiche: Modularità Portabilità Apertura Configurabilità L’obiettivo è di ottenere un prodotto software base dedicato al rapido sviluppo e messa in servizio di applicazioni complesse di robotica mobile, mettendo a disposizione non solo un

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elevato numero di funzioni già predisposte ed integrate ma soprattutto permettere il suo rapido ed affidabile adattamento e lo sviluppo di applicazioni verticali ed innovative.

ROBOVISION

L’obiettivo del progetto è studiare e sviluppare delle componenti software dedicate alla localizzazione di oggetti in movimento e all’autolocalizzazione dei robot mobili all’interno di un ambiente non strutturato. Attenzione viene riposta nella fase di integrazione e di testing delle componenti SW, sviluppate dal progetto all’interno della piattaforma real-time di ERXA dedicata alla robotica mobile già disponibile.

ERXA s.r.l. Marco Ricci Politecnico di Torino

Il finanziamento è suddiviso in: 60% tramite Progetto PMI di TORINO WIRELESS 40% Interno

01/02/2007 Robotica Mobile di servizio, in particolare per: Sicurezza Protezione civile Esplorazione

Integratori di sistemi robotizzati Produttori di robot mobili Produttori di sistemi per la sicurezza

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L’obiettivo principale del progetto è acquisire il know-how sulle tecnologie di visione artificiale necessario a gestire metodi ed algoritmi di localizzazione e l’auto-localizzazione nell’ambito della robotica mobile intelligente attraverso la realizzazione e l’integrazione di componenti di visione artificiale all’interno della piattaforma real-time di ERXA. Tali componenti dovranno essere in grado di soddisfare le esigenza di localizzazione e auto-localizzazione necessarie alle applicazioni di robotica mobile. Gli obiettivi del progetto saranno raggiunti tramite una prima analisi

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dello stato dell’arte della tecnologia relativa alla visione artificiale, seguita da un approccio incrementale in cui si affronterà il tema tramite la soluzione in sequenza di problemi di complessità crescente.I problemi da affrontaresaranno i seguenti: L’auto-localizzazione in un ambiente strutturato (di tipo campo “RoboCup” ovvero ambiente con sviluppo principalmente orizzontale, elementi specifici di ausilio alla localizzazione quali linee, pali, porte e colori opportunamente differenziati). La localizzazione di oggetti mobili in ambiente strutturato (del tipo di quello presente nella

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competizione “RoboCup”, dove sono presenti oggetti quali avversari, compagni e palla con dimensioni e colori noti e opportunamente differenziati). L’auto-localizzazione in ambiente noto non strutturato di tipo indoor. Si sfrutterà la conoscenza della mappa dell’ambiente e dei modelli 3D degli oggetti presenti nell’ambiente. La localizzazione ed identificazione in ambiente noto non strutturato di tipo indoor di oggetti mobili. Il mapping di ambienti di tipo indoor mediante attività di esplorazione.

EPOCH -European Research Network on Excellence in Processing Open Cultural Heritage

Network of Excellence su metodologie e tecnologie (anche robotiche) a supporto di applicazioni finalizzate

ISME-UNIGE (GRAAL)

Prof. Giuseppe Casalino casalino@dist.unige.it

University of Brighton (UK)

circa 100 partner (ved. www.cordis.lu)

Progetto Europeo FP6 - NoE

8.443.000 Euro

2004 2008 Individuazione di tecnologie e metodologie da sviluppare in progetti di ricerca dedicati

Edutainment Non applicabile

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alla salvaguardia ed alla diffusione intelligente del patrimonio culturale.

Veicolo trainato automatico per ispezione di condotte sommerse

Sviluppo di veicoli sottomarini trainati con capacità autonome di monitoraggio attivo di condotte sommerse

ISME-UNIGE (GRAAL)

Prof. Giuseppe Casalino casalino@dist.unige.it

ISME-UNIGE (GRAAL)

DIMEC-UNIGE

Parco Scientifico e Tecnologico Liguria

149.550 Euro 2005 2007 Il sistema robotico

Robotica di servizio: Monitoraggio/Ispezione/Sicurezza Produttori di

veicoli trainati -Servizi d monitoraggio

VENUS (Virtual ExploratioB of Underwater Sites)

Sviluppo di metodologie e strumenti tecnologici (anche robotici) per l’esplorazione virtuale di siti archeologici sottomarini,

ISME-UNIGE (GRAAL)

Prof. Giuseppe Casalino casalino@dist.unige.it

CNRS (France)

CNRS (France), IST (Portugal), UHULL (UK), UEVE (France), LFUI (Austria), COMEX (France), MCC (France), Sopraintendenza Beni Archeologici Toscana (Italy), UoY (UK), MC-SG (Portugal)

Progetto Europeo FP6 - STREP

3.175.601 Euro

2006 2009 Tra i diversi obiettivi del progetto, in ambito robotico è previsto lo sviluppo di nuove tecnologie (es. veicoli autonomi o filoguidati) per l’acquisizione dati da siti sommersi

Edutainment Musei marini

Robot a basso costo per facile impiego in applicazioni industriali e non industriali

Le attività del LARM per lo sviluppo di sistemi robotici è stata ed è focalizzata su soluzioni che abbiano le caratteristiche di sistemi robusti, di basso costo in termini di

LARM: Laboratorio di Robotica e Meccatronica dell’Università di Cassino http://webuser.unicas.it/weblarm/larmindex.htm

Prof Marco Ceccarelli (ceccarelli@unicas.it )

LARM: Laboratorio di Robotica e Meccatronica dell’Università di Cassino

Fondi di ricerca di programmi internazionali, nazionali, e locali

Dal 1999 ad oggi circa 200.000 Euro

1999 Non definita Progettazione, costruzione di prototipi e validazione sperimentali di prototipi e di loro applicazioni tramite attività di ricerca di base; studio di fattibilità; simulazione;

Agricoltura Entertainment Medicina e riabilitazione Nuove applicazioni industriali Robotica industriale tradizionale Security Supporto ad anziani e disabili

Produttori di robot industriali Integratori di sistemi robotizzati Produttori di macchine agricole Produttori di apparecchiature biomedicali

http://webuser.unicas.it/weblarm/larmindex.htm

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progettazione e costruzione meccanica, ma anche di facile impiego ed operatività per applicazioni generiche e specifiche.

progetto; prototipo. Prototipi realizzati: CaPaMan (Cassino Paralllel Manipulator) LARM Hand ; EPWAR; CATRASYS; Biped walker;

First Act Studio di fattibilità di squadre di robot da utilizzarsi in missioni di First Act (cioè entro trenta minuti dall’accadere di una emergenza) per home land security in supporto a first Responder(vigili del fuoco/Protezione civile)

OTO Melara Steardo Pier Ciro

Galileo Avionica

Selex Comms, Selex S&AS, Università Sant’Anna, Università di Roma 3(Tor Vergata)

Progetto Corporate Finmeccanica

set-06 dic-07 Studio di fattibilità

Home Land Security

First Responder

Saferdrill Sistema robotico per consolidamento pareti rocciose (versione migliorata con ulteriori funzionalità) A remotely controlled autonomous walking and climbing robot for faster and safer landslide monitoring,

PMARlab –DIMEC – Univ. Di Genova

Rezia Molfino

ICOP Spa UNIGE-PMARlab, CSIC-IAI, D’Appolonia, Comacchio Spa, ICOP Spa,

Europeo Circa 3M€ 2005 2007 Robot di consolidamento (prototipo fisico)

Perforazione, sicurezza stradale e ferroviaria, opere civili

Società nei settori della ingegneria civile e del consolidamento

Tabella 1 - Molfino allegato ServiceRob_roadmapLIGURIA.doc

282

slope stability analysis and consolidation

EUROShoE (Extended User Oriented Shoe Enterprise)

Development of the processes and implementation of management tools for the Extended User Oriented Shoe Enterprise Robotisation of the limp items manipulation

PMARlab –DIMEC – Univ. Di Genova

Claudio Boer ITIA - CNR UNIGE-PMARlab, BALLY SCHUHFABRIKEN A.G. CALZATURIFICIO FRAU S.P.A. CALAZDOS ANATOMICOS CALANA S.L. JEFAR INDUSTRIA DE CALCADO S.A. LIREL – LIMA & RESENDA LDA LLOYD SCHUHFABRIK MEYER &CO G.M.B.H. N.V. EURO-VANA S.A. FAGUS-GREKON GRETEN G.M.B.H. FORMIFICIO MILANESE TEAM S.R.L. CONSORZIO SINTESI CENTRO SERVIZI CALZATURIERO CSM3D INTERNATIONAL LTD. GRAISOFT MASSEN MACHINE

Europeo Circa 17M€ 2001 2004 Impianto pilota installato a Vigevano

Calzaturiero, Pelletteria

Società nei settori calzaturiero e pelletteria

Tabella 1 - Molfino allegato ServiceRob_roadmapLIGURIA.doc

283

VISION SYSTEMS G.M.B.H. STRING S.R.L. ATOM S.P.A. COMELZ S.P.A. MOLINA & BIANCHI S.P.A. TORIELLI RAG.PIETRO & C. S.P.A. PRUF UND FORSCHUNGINSTITUT FUR DIE SCHUHHERSTE SIEMENS S.P.A. DELCAM P.L.C. TECHNISCHE UNIVESRITAET MUENCHEN FONDAZIONE DONCARLO GNOCCHI –ONLUS NATIONAL UNIVERSITY OF IRELAND –GALWAY INSTITUTE CIMSI OF SUPSI FRAUNHOFER GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG ASOCIACION

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INSTITUTO DE BIOMECANICA DE VALENCIA UNIVESRITAET KARLSRUHE UNIVERSITAET HANNOVER LOUGHBOROUGH UNIVERSITY

Leapfrog CA Innovazione della filiera del tessile abbigliamento e robotizzazione del processo di

PMARlab—DIMEC—Univ di Genova

Rezia Molfino

Euratex www.leapfrog-eu.org

Europeo Circa 3M€ 2005 2007 Linee guida, stato dell’arte, azioni

Tessile abbigliamento

Tessile abbigliamento

Tabella 1 - Molfino allegato ServiceRob_roadmapLIGU

285

produzione RIA.doc

Smartwire Sistema robotizzato per il taglio intelligente delle pietre ornamentali

PMARlab—DIMEC—Univ di Genova

Rezia Molfino

Flexmet Europeo Circa 5M€ 2002 2004 Sistema robotizzato di taglio

Pietre ornamentali

Società nel settore del taglio delle pietre ornamentali (marmi, graniti, etc.)

Tabella 1 - Molfinoallegato ServiceRob_roadmapLIGURIA.doc

Minipar Robot di micro assemblaggio

PMARlab—DIMEC—Univ di Genova

Rezia Molfino

PMARlab—DIMEC—Univ di Genova

italiano Circa 400k€ 2005 2007 Robot di micro assemblaggio

microassemblaggio

microassemblaggio

Tabella 1 - Molfino allegato ServiceRob_roadmapLIGURIA.doc

PRIDE Robot manifatturieri con interazione forte con l’ambiente

PMARlab—DIMEC—Univ di Genova

Rezia Molfino

PMARlab—DIMEC—Univ di Genova

Italiano Circa 400 k€ 2000 2002 Sistemi robotici

Varii manifatturieri

Industriemanifatturiere

Tabella 1 - Molfino allegato ServiceRob_roadmapLIGURIA.doc

Towfish Sistema trascinato robotico per il monitoraggio di condotte sommerse

PMARlab—DIMEC—Univ di Genova

Andrea Caiti Consorzio ISME

Consorzio ISME, DIMEC

Ligure – PST Liguria

Circa 150k€ 2006 2007 Sistema completo

Servizi off-shore

Servizi off-shore

Tabella 1 - Molfino allegato ServiceRob_roadmapLIGURIA.doc

Microdrainage

Sistema robotico per bonifica discariche e prosciugamento terreni

PMARlab—DIMEC—Univ di Genova

Rezia Molfino

ICOP Spa PMARlab. Universitá di Genova (I); University (I); D’Appolonia (I), Tecniwell (I), ICOP (I), GETAS Petrogeo (I), Space Application Service (BE),

Europeo Circa 5M€ 2003 2005 Sistema robotico

Strutture civili, bonifica discariche

Società di ingegneria e costruzioni civili

Tabella 1 - Molfino allegato ServiceRob_roadmapLIGURIA.doc

286

Intergeo (A), Raumfahrt Systemtechnik (DE)

Roboclimber Sistema robotico per consolidamento trincee stradali e rocce

PMARlab—DIMEC—Univ. Di Genova

Rezia Molfino

ICOP Spa PMARlab. Universitá di Genova (I); University (I); D’Appolonia (I), Tecniwell (I), ICOP (I), GETAS Petrogeo (I), Space Application Service (BE), Intergeo (A), Raumfahrt Systemtechnik (DE)

Europeo Circa 3M€ 2002 2004 Sistema robotico (prototipo fisico)

Perforazione, sicurezza stradale e ferroviaria, opere civili

Società nei settori della ingegneria civile e del consolidamento

Tabella 1 - Molfino allegato ServiceRob_roadmapLIGURIA.doc

SBC Robot sottomarino per smantellare strutture off-shore

PMARlab—DIMEC—Univ. Di Genova

Rezia Molfino

Tecnospamec PMARlab. Universitá di Genova; University (I); TS Tecnospamec (I); Hydrakraft (NO); Monyana Engineering Services (UK) University of Athens (GR); CUT (UK).

Europeo Circa 5M€ 2000 2003 Sistema robotico completo funzionante

Off-shore Società off-shore di costruzione e servizio

Tabella 1 - Molfino allegato ServiceRob_roadmapLIGURIA.doc

Leapfrog IP Sistema robotico per la cucitura robotizzata di abiti anche ad architettura complessa

PMARlab—DIMEC—Univ. Di Genova

Rezia Molfino

Euratex www.leapfrog-eu.org

Europeo Circa 25M€ 2005 2009-2010 Cella robotica di cucitura di abiti formali da uomo

Tessile abbigliamento

Società italiane ed europee nel tessile-abbigliamento

Tabella 1 - Molfino allegato ServiceRob_roadmapLIGURIA.doc

287

TELEROBOTICA E ROBOTICA DI SERVIZIO

Si tratta di un insieme di progetti, sviluppati nell’ambito della Robotica non industriale, rivolti ad applicazioni non convenzionali. I principali progetti riguardano: Robot e mini-robot mobili a locomozione ibrida per applicazioni di servizio (sorveglianza, assistenza, ecc..); Dispositivi aptici per telemanipolazione e interazione con realtà virtuale; Dispositivi innovativi di presa e manipolazione; Attuatori non convenzionali per applicazioni robotiche.

Politecnico di Torino

Prof. Carlo Ferraresi Dipartimento di Meccanica - Politecnico di Torino Corso Duca degli Abruzzi, 24 -10129 Torino tel. 011-5646943 -fax 011-5646999 e-mail carlo.ferraresi@polito.it http://www.dimec.polito.it/robotica.htm

Dipartimento di Meccanica, Laboratorio di Robotica

Nazionale, autofinanziamento.

Prototipi di robot, prototipi di master aptici, prototipi di mani di presa, prototipi di attuatoriflessibili.

Supporto ad anziani e disabili; Sorveglianza/Security; Medicina e riabilitazione; Agricoltura; Nuove applicazioni industriali; Pulizia; Entertainment.

Integratori di sistemi robotizzati; Produttori di macchine agricole; Produttori di apparecchiature biomedicali; Produttori di apparecchiature per la sicurezza.

http://www.dimec.polito.it/robotica.htm

288

Piattaforma parallela per simulazione di moto

Il progetto intende sviluppare una piattaforma parallela a tre assi da utilizzarsi per la simulazione di moto sia per finalità di intrattenimento sia per finalità di addestramento (ad esempio simulazione di volo) e, eventualmente, nell’ambito di programmi di riabilitazione. E’ possibile anche l’applicazione come componente di macchine diagnostiche per il sistema propriocettivo. La piattaforma è parte di un sistema integrato per la riproduzione di condizioni di moto virtuale, ed ha la funzione di riprodurre le sensazioni di movimento, integrando così le sensazioni trasmesse per

Politecnico di Torino –Dipartimento di Meccanica

Massimo Sorli –massimo.sorli@polito.it Tel 0115646948

Politecnico di Torino –Dipartimento di Meccanica

Fondi interni del gruppo di ricerca

€50,00 gen-04 dic-08 E’ stato sviluppato un primo prototipo di piattaforma parallela a tre assi con azionamento pneumatico e carico utile di 100 kg. Sono in fase di sviluppo gli algoritmi per la definizione delle traiettorie della piattaforma in funzione del moto che si intende simulare e determinate in relazione alla sensibilità del soggetto movimentato, valutata tramite la risposta vestibolare (algoritmi di motion cueing e wash out). Si prevede lo sviluppo di un secondoprototipo ad azionamento elettrico, nonché un terzo prototipo con carico utile incrementato.

Entertainment Simulazione di moto per addestramento. Medicina e riabilitazione (simulazione di moto a fini di riabilitazione, macchine cliniche diagnostiche)

Integratori di sistemi robotizzati Sale giochi Enti di addestramento al pilotaggio o alla guida Produttori di apparecchiature biomedicali Ospedali

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mezzo visivo o aptico.

PHRIENDS – Physical Human-Robot Interaction: Dependability and Safety

This project aims at developing robots that can co-exist and co-operate with people, enabling a physical human-robot interaction which is dependable and safe: in a word, to make robots and humans PHRIENDS

PRISMA Lab, Dipartimento di Informatica e Sistemistica, Università di Napoli Federico II

Prof. Bruno Siciliano <siciliano@unina.it>

Centro “E. Piaggio”, Università di Pisa

DLR –KUKA Roboter GmbH –LAAS/CNRS – Università di Roma “La Sapienza”

European Commission FP6 IST-045359

Euro 3.549.814

01/10/06 30/09/09 Specific Targeted Research or Innovation Project

Apparecchiature domestiche –Entertainment – Medicina e riabilitazione – Nuove applicazioni industriali –Robotica industriale tradizionale –Security –Supporto ad anziani e disabili

Produttori di robot industriali –Integratori di sistemi robotizzati –Produttori di apparecchiature per la sicurezza

http://www.phriends.eu/

Studio di fattibilità per un sistema di propulsione subacqueo basato su superfici oscillanti

Lo studio si propone di verificare la fattibilità ed i vantaggi di un sistema di propulsione subacqueo basato su superfici

Telerobot Francesco Becchi

UNIGE –DIAM

UNIGE-DIAM, Università di Cagliari

Regione Liguria –Parco Scientifico e Tecnologico

140000 Euro 2005 2006 Realizzazione di un prototipo del sistema di propulsione da provare in vasca

Robotica subacquea sia intesa come ROV che come AUV

Produttori di robot subacquei

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oscillanti. Si propone anche di verificare la rispondenza tra dati teorici, ricavati da programmi di simulazione; e dati sperimentali, allo scopo di validare i programmi di simulazione.

ROBOTCUB Il progetto RobotCub è un’iniziativa di ricerca dedicata alla realizzazione di un sistema cognitivo integrato. Ha due obiettivi:Creare una piattaforma robotica umanoide per la ricerca nel campo della “embodied cognition” Proseguire la conoscenza dei sistemi cognitivi utilizzando questa piattaforma nello studio dello sviluppo

Telerobot Francesco Becchi

UNIGE –DIST )

Partner del progetto sono le principali Università Europee; Telerobot è responsabile della progettazione e realizzazione di alcuni sottosistemi meccatronici (testa, braccia, tronco) e coordina la realizzazione dell’intera parte elettromeccanica. Telerobot è l’unico partner industriale del progetto.

EU 8.500.000 01/09/2004 30/08/2009 Realizzazione di un prototipo

http://www.robotcub.org/

Enti di ricerca e Università

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delle capacità cognitive in robot umanoidi. Questo sistema cognitivo avrà le dimensioni, fisicamente e di capacità mentale, di un bambino di 2 anni e sarà capace di apprendere come interagire con l’ambiente attraverso manipolazione e gestualità, (in modo bidirezionale -azione/interpretazione ) e come sviluppare le sue capacità percettive, motorie e di comunicazione per eseguire compiti di manipolazione “goal directed”.

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Studio di fattibilità per un velivolo autonomo per applicazioni civili

Lo studio si propone di verificare la fattibilità di un velivolo autonomo per usi civili. Caratteristiche principali sono:Autonomia: 20 ore con un payload di 45 Kg. Payload: Possibilità di montare una torretta con telecamera nel visibile e nell’infrarosso Quota massima: 5000 metri Velocità massima (per il trasferimento): 100 nodi alla quota di 5000 metri Velocità di lavoro: 72 nodi a quote comprese tra 300 e 1500 metri Lo studio è arrivato fino alla progettazione preliminare di un velivolo con le caratteristiche sopraindicate, incluse le verifiche aerodinamiche e strutturali

Telerobot Francesco Becchi

Aerobusiness S.r.l.

UNIGE-DIST UNIGE-DIBE

Regione Liguria –Parco Scientifico e Tecnologico

140000 Euro 2004 2005 Progetto preliminare, analisi delle possibili applicazioni, business plan

Sorveglianza, monitoraggio ambientale

Vigili del fuoco, Protezione civile, etc.

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GeoPlex -GeometricNetwork Modeling and Control of Complex Physical Systems

Il progetto di ricerca ha per obiettivo la modellazione e il controllo di sistemi complessi appartenenti a differenti domini fisici in modo tale da collegarli mediante un unico formalismo, quello dei sistemi port-hamiltonian. In questo particolare formalismo, i sistemi fisici complessi sono visti come una rete di interconnessioni di sistemi fisici più semplici che si scambiano energia. Le proprietà dei sistemi fisici complessi sono analizzati e controllati mediante lo studio dei più semplici sottosistemi e della struttura della rete.URL: http://www.geoplex.cc

Università di Bologna -Facoltà di Ingegneria -Dip. Elettronica Informatica e Sistemistica

Prof. Claudio Melchiorri (Università di Bologna –Facoltà di Ingegneria -Dip. Elettronica Informatica e Sistemistica) EMAIL: cmelchiorri@deis.unibo.it URL: http://www-lar.deis.unibo.it/people/cmelchiorri/

Università di Twente (Enshede -The Netherlands)

Università di Twente (Enshede -The Netherlands) – Prof. Stefano Stramigioli Controllab Products B.V. (Enshede -The Netherlands) - Ing. Christian Kleijn Università Claude Bernard (Lione –Francia) –Prof. Bernhard Maschke Università Politecnica della Catalunia (Barcellona –Spagna) - Dr. Enric Fossas Colet Ecole Superieure D'Electricite – SUPELEC (Plateau du Moulon –Francia) -Prof. Romeo Ortega Università Johannes Kepler (Linz – Austria) –Prof. Kurt Schlacher K.U. Leuven Research & Development (Lovanio –Belgio) - Dr. Ing. Herman

Progetto Europeo

3.498.051 € 2002 2005 Modellazione di sistemi a parametri distribuiti, in modo da formire una descrizione dei ritardi, della propagazione della potenza in maniera consistente per sistemi meccanici, termici, elettrici ed idraulici. Studio del problema della discretizzazione di sistemi fisici a parametri distribuiti in maniera tale da mantenere le loro caratteristiche fisiche. Costruzione di un modello hamiltoniano non lineare per dispositivi piezoelettrici. Estensione del formalismo port-Hamiltonian a processi fisico-chimici, tenendo in considerazione gli effetti termici, i flussi di entropia e trasferimenti

Controllo di sistemi fisici generici Nuove applicazioni industriali Elettronica di potenza Robotica TelemanipolazioneDispositivi aptici Sviluppo di software per modellazione di sistemi fisici complessi

Produttori di robot industriali Integratori di sistemi robotizzati Produttori di macchine automatiche Produttori di macchine flessibili

http://www.geoplex.cc/

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BruyninckxUniversità diBologna –Facoltà di Ingegneria –Dip. Elettronica Informatica e Sistemistica – Prof. Claudio MelchiorriCentre National de la Recherche Scientifique (Parigi –Francia) -Francoise Couenne

di massa e calore. Costruzione di modelli geometrici di sistemi di telemanipolazione multidimensionale per diversi tipologie di struttura master/slave e ritardi di tempo variabili. Costruzione di una teoria basata su sistemi ibridi e/o sistemi a struttura variabile in maniera tale da descrivere il comportamento di differenti sistemi fisici complessi. Modellazione di collisioni tridimensionale in maniera tale da analizzare/controllare la locomozione 3D. Estensione delle tecniche presenti e sviluppo di nuove per il design di controllo basato sulla struttura fisica dei sistemi da controllare.

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Design di algoritmi di controllo avanzati per sistemi fisici con caratteristiche ibride. Controllo di sistemi di telemanipolazione remota in presenza di ritardi. Design di controllori per sistemi meccanici aptici che siano in grado di permettere l'interazione dell'uomo con un ambiente virtuale. Studio di tecniche innovatrive di conversione della potenza per impieghi industriali Design di tecniche di controllo per processi fisico-chimici con una limitata sensoristica Design di tecniche di controllo per dispositivi piezoelettrici

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LARER -Laboratorio di Automazione Regione Emilia-Romagna

Il progetto di ricerca ha come obiettivo lo sviluppo di metodologie e applicazioni per l'automazione industriale, con specifico riguardo alle tecniche di modellazione ed analisi dei sistemi complessi, la supervisione e il controllo real-time e la progettazione hardware/software di sistemi di controllo distribuiti tipici dei settori automotive, robotica e macchine automatiche. Le competenze dei partecipanti al laboratorio permettono di realizzare una reale integrazione tra ingegneria dell'informazione (controllo automatico, elettronica, informatica) e ingegneria meccanica, necessaria per la

Università di Bologna -Facoltà di Ingegneria -Dip. Elettronica Informatica e Sistemistica

Prof. Claudio Bonivento (Università di Bologna –Facoltà di Ingegneria -Dip. Elettronica Informatica e Sistemistica) EMAIL: cbonivento@deis.unibo.it URL: http://www-lar.deis.unibo.it/people/cbonivento/ Prof. Claudio Melchiorri (Università di Bologna –Facoltà di Ingegneria -Dip. Elettronica Informatica e Sistemistica) EMAIL: cmelchiorri@deis.unibo.itURL: http://www-lar.deis.unibo.it/people/cmelchiorri/

Università di Bologna –Facoltà di Ingegneria -Dip. Elettronica Informatica eSistemistica

Università di Bologna –Facoltà di Ingegneria –Dip. Elettronica Informatica e Sistemistica – Prof. Claudio Melchiorri Università di Modena e Reggio Emilia (sede di Modena) –Facoltà di Ingegneria –Dip. Ingegneria dell'Informazione – Prof. Roberto Zanasi Università di Modena e Reggio Emilia (sede di Reggio Emilia) –Facoltà di Ingegneria –Dip. di Scienze e Metodi dell'Ingegneria – Prof. Cesare Fantuzzi Università di Parma –Facoltà di Ingegneria –Dip. Ingegneria dell'Informazione – Prof. Stefano CaselliARCA Tecnologie (Bologna, BO) – Prof. Alberto

PRRIITT -Programma Regionale per la Ricerca Industriale l'Innovazione e il Trasferimento Tecnologico - Misura 3.4A

1.685.560 € 2005 2006 Studio e sperimentazione di sistemi di controllo embedded su architetture distribuite Studio di tecniche diagnostiche per sistemi di automazione fault-tolerant Sviluppo ed integrazione di sensori, attuatori ed interfacce evolute per sistemi robotici ad elevata interazione con l'ambiente) Sviluppare applicazioni con riferimento particolare ai settori automotive, robotica e macchine automatiche Sviluppo e controllo di sistemi robotici di servizio (chirurgia, domotica, intervento in ambienti a rischio) sensoristica di forza, tatto e visione interfacce evolute uomo-macchina-ambiente

Nuove applicazioni industriali Robotica industriale Interfacce aptiche Macchine automatiche Impianti di produzione automatizzata Automotive

Produttori di robot industriali Integratori di sistemi robotizzati Industrie dell'automazione

http://www.larer.it/

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progettazione e gestione di sistemi complessi automatizzati ad elevate prestazioni. Il Laboratorio LARER riunisce le diverse competenze e le strutture della ricerca già esistenti sul tema in regione su questa tematica.URL: http://www.aster.it/larer.html

TonielliSACMI Cooperativa Meccanici Imola Scarl (Imola, BO) -Carlo ZauliIMA Industrie Meccaniche Automatiche Spa (Ozzano Emilia, BO) – Ing. Pierantonio RagazziniConsorzio SIPE Scarl (Vignola, MO) –Roberto Ravazzini

interfacce aptiche telemanipolazione robotica mobile mani robotiche ad elevata destrezza robot e macchine flessibiliProgettazione di sistemi embedded: unità di elaborazione speciali (DSP, mC, PLC, PC industriali, SOFT-PLC) reti di comunicazione e bus di campo sistemi operativi in tempo reale (VxWorks, RT-Linux, QNX) sistemi di controllo e di supervisione (SCADA) ambienti di ausilio alla progettazione (MultiProg, ISAGRAPH) ambienti di simulazione e verifica delle prestazioni ambienti di acquisizione ed elaborazioni dati Trasferire conoscenze e tecniche

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consolidate all'industria, anche attraverso la formazione mirata di personale qualificato Stimolare la formazione di nuove imprese high-tech

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MedRob -Applicazioni di Meccatronica e Robotica in Medicina

Il progetto di ricerca ha l'obiettivo di accrescere e migliorare l'impiego di apparati meccatronici/robotici in ambito medico e di assistenza a persone con disabilità di tipo visivo. In particolare, il progetto verrà articolato inizialmente secondo tre attività di ricerca distinte: Sviluppo di un simulatore laparoscopico; Sviluppo di un robot per la riabilitazione dei pazienti affetti da labirintolitiasi; Studio di un interfaccia haptic per l'interazione tra utenti non vedenti e il pc. URL http://www-lar.deis.unibo.it/medrob/

Università di Bologna –Facoltà di Ingegneria -Dip. Elettronica Informatica e Sistemistica

Prof. Claudio Melchiorri (Università di Bologna –Facoltà di Ingegneria -Dip. Elettronica Informatica e Sistemistica) EMAIL: cmelchiorri@deis.unibo.itURL: http://www-lar.deis.unibo.it/people/cmelchiorri/Prof. Gabriele Vassura (Università di Bologna –Facoltà di Ingegneria –Dip. di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia ) EMAIL: gabriele.vassura@mail.ing.unibo.it

Università di Bologna –Facoltà di Ingegneria -Dip. Elettronica Informatica e Sistemistica

Università di Bologna –Dip. Elettronica Informatica e Sistemistica – Prof. Claudio Melchiorri Università di Bologna –Facoltà di Ingegneria –Dip. di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia –Prof. Gabriele Vassura Ospedale Sant'Orsola di Bologna –Dip. di Scienze Chirurgiche ed Anestesiologiche (Unità Operativa di Chirurgia Generale) –Prof. Francesco Minni Ospedale Sant'Orsola di Bologna –Dip. di Scienze Chirurgiche ed Anestesiologiche – Prof. Giovanni Carlo Modugno e Prof. Antonio

Nazionale 500 2006 2009 Sviluppo di prototipi di sistemi robotici e meccatronici per applicazione in ambiente medico (chirurgico, per il training, otorino-laringoiatro) e di supporto a disabili. Pubblicazioni su qualificate riviste dei settori scientifici interessati. Collaborazione scientifica con altri ricercatori in campo internazionale Collaborazioni con industrie specializzate Rafforzamento di collaborazioni scientifiche tra gruppi di ricerca interdisciplinari all'interno dell'Ateneo di Bologna Brevetti Spin-off Partecipazione a progetti nazionali e internazionali

Medicina e riabilitazione Supporto ad anziani e disabili (ad es. non vedenti) Costruzione di nuove apparecchiature medico-chirurgiche

Produttori di apparecchiature biomedicali

http://www-lar.deis.unibo.it/medrob/index.htm

300

Pirodda

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OASYS -Open source software for industrial Automation and distributed SystemS (software Open source per l'Automazione e i SIStemi distribuiti)

Il progetto di ricerca ha l'obiettivo di sviluppare strumenti e metodologie generali di progetto per sistemi di controllo distribuiti. Applicazioni di questi sistemi, sempre più numerose oggigiorno, spaziano dal progetto di macchine automatiche, all'avionica, agli impianti di produzione automatizzata, all'automotive. Oltre allo sviluppo di metodologie generali, particolare enfasi sarà data alla definizione di ambienti software open source, basati su tecnologie hw/sw affidabili, low-cost e di facile reperibilità sul mercato. Questo per offrire anche sul piano industriale strumenti di interesse generale ed

Università di Bologna –Facoltà di Ingegneria -Dip. Elettronica Informatica e Sistemistica

Prof. Claudio Melchiorri (Università di Bologna –Facoltà di Ingegneria -Dip. Elettronica Informatica e Sistemistica) EMAIL: cmelchiorri@deis.unibo.itURL: http://www-lar.deis.unibo.it/people/cmelchiorri/

Università di Bologna –Facoltà di Ingegneria -Dip. Elettronica Informatica e Sistemistica

Università di Bologna –Dip. Elettronica Informatica e Sistemistica – Prof. Claudio MelchiorriUniversità di Pavia – Dip. Informatica e Sistemistica – Prof. Giorgio Carlo ButtazzoUniversità di Modena e Reggio Emilia -Dipartimento di Scienze e Metodi dell'Ingegneria – Prof. Cesare FantuzziPolitecnico di Milano –Dip. Elettronica e Informazione – Prof. Gianantonio Magnani

Programma di Ricerca di Interesse Nazionale (PRIN) Finanziato dal Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca (MIUR)

266,8 2004 2005 Realizzazione di dimostratori sperimentali di strutture distribuite, nelle quali cioè risorse di elaborazione, calcolo, controllo, supervisione, cooperazione e monitoraggio siano non localizzate in un singolo punto. Sviluppo di ambienti hw/sw di controllo in tempo reale per applicazioni distribuite, basati su piattaforme hardware low-cost (PC) e software open source. Realizzazione di una struttura di collegamento dei laboratori attraverso rete informatica. Interessamento (di fatto già dimostrato) di aziende che si occupano di automazione ai risultati della ricerca, con il

Macchine automatiche Avionica Impianti di produzione automatizzata Automotive Nuove applicazioni industriali

Produttori di robot industriali Industrie dell'automazione

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in linea con importanti progetti condotti in campo internazionale da enti ed agenzie di ricerca e da industrie di primo piano del settore.URL : http://www-lar.deis.unibo.it/oasys/

coinvolgimento di tecnici in fasi di identificazione di case study significativi e di verifica sperimentale di soluzioni. Due convegni di programma da tenersi con cadenza annuale con pubblicazione degli atti; organizzazione di sessioni ad invito e/o tutorial a conferenze internazionali del settore. Disseminazione dei risultati attraverso seminari, workshop e giornate tematiche organizzate in collaborazione con le industrie.

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AIDA -Design e Applicazioni di Interfacce aptiche Avanzate: contatto soffice, multi punto e integrazione multimodale

Il progetto di ricerca ha l'obiettivo di studiare e sviluppare nuovi dispositivi aptici che forniscano la possibilità di interagire in maniera multi-punto e multimodale con un ambiente complesso, quale può essere un oggetto virtuale soffice e con una tessitura ben definita. Questi dispositivi saranno di supporto allo sviluppo di alcuni strumenti perla chirurgia robotica e allo sviluppo di strumenti per operatori disabili.URL: : http://www-lar.deis.unibo.it/aida/

Università di Bologna -Facoltà di Ingegneria -Dip. Eletttronica Informatica e Sistemistica

Prof. Claudio Melchiorri (Università di Bologna –Facoltà di Ingegneria -Dip. Eletttronica Informatica e Sistemistica)EMAIL: cmelchiorri@deis.unibo.itURL: http://www-lar.deis.unibo.it/people/cmelchiorri/

Università di Bologna –Facoltà di Ingegneria -Dip. Eletttronica Informatica e Sistemistica

Università di Bologna –Facoltà di Ingegneria –Dip. Eletttronica Informatica e Sistemistica – Prof. Claudio MelchiorriUniversità di Siena –Facoltà di Ingegneria –Dip. Ingegneria dell'Informazione – Prof. Domenico PrattichizzoUniversità di Verona –Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali -Dip. di Informatica –Prof. Paolo FioriniScuola Sup. di Studi Univ. e Perfezionamento S.Anna di PISA -Classe di Scienze Sperimentali – Dip. di Settore Ingegneria –Prof. Massimo BergamascoLibera Università "Vita Salute S.Raffaele" MILANO -Facoltà di Psicologia -

Programma di Ricerca di Interesse Nazionale (PRIN) Finanziato dal Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca (MIUR)

379,5 2005 2006 Metodologie e algoritmi per il problema del controllo di interfacce aptiche "multi-punto" e "multi-modali" Prototipi di dispositivi che offrano capacità "multi-punto" e "multi-modali" Metodologie e tecniche per la modellazione e simulazione di materiali visco/elastici Migliore comprensione della capacità percettiva umana e delle capacità di controllo in operazioni complesse di presa e manipolazione Definizione di collaborazioni di ricerca con partner interessati per lo sviluppo ed applicazione di interfacce aptiche in applicazioni "sociali" (non vedenti), definizione e consolidamento di

Medicina e riabilitazione Supporto ad anziani e disabili Costruzione di nuove apparecchiature medico-chirurgiche

Produttori di apparecchiature biomedicali

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Dipartimento di Facoltà di Psicologia –Dott. Gabriel Baud Bovy

collaborazioni di ricerca a livello internazionale Rete di laboratori, collegati n internet, in modo da permettere uno scambio reciproco di conoscenze e risultati, garantendo l'aggiornamento dello stato delle ricerche e, possibilmente, la disponibilità di dispositivi sperimentaliOrganizzazione di due incontri, di sessioni ad invito e/o tutorial a conferenze internazionali; è anche in programma la definizione di una Summer School per giovani ricercatori e studenti di dottorato su argomenti di rilevanza per le problematiche "aptiche"Diffusione dei risultati mediante seminari, workshops,

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incontri con altri ricercatori

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Planning and Intelligent Control Techniques for Unstructured Robotics Environments (PICTURE)

Obiettivo del Programma di Ricerca PICTURE è lo sviluppo ela verifica sperimentale di tecniche per la pianificazione ed il controllo di sistemi robotici da impiegarsi per lo svolgimento di compiti in ambienti non strutturati. In tale ambito, le linee principali su cui si articolano le attività di ricerca oggetto del Programma sono le seguenti: * tecniche di fusione sensoriale, per sfruttare simultaneamente le diverse capacità sensoriali al meglio delle loro condizioni; * algoritmi di localizzazione del robot e di costruzione della mappa ambientale in simultanea, per l'aggiornamento dinamico

Università di Cassino (Dipartimento di Automazione, Elettromagnetismo, Ingegneria dell'Informazione e Matematica Industriale)

Prof. Stefano Chiaverini -chiaverini@unicas.it

Università di Roma Tre (Dipartimento di Informatica e Automazione)

Politecnico di Torino (Dipartimento di Automatica e Informatica) Università di Catania (Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Elettronica e dei Sistemi) Università di Genova (Dipartimento di Informatica, Sistemistica e Telematica) Università di Pisa (Dipartimento di Sistemi Elettrici e Automazione) Università di Cassino (Dipartimento di Automazione, Elettromagnetismo, Ingegneria dell'Informazione e Matematica Industriale) Università Politecnica delle Marche (Dipartimento di Ingegneria Informatica, Gestionale e dell'Automazione)

Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca -Programmi di Ricerca Scientifica di Rilevante Interesse Nazionale -Richiesta di Cofinanziamento Anno 2004

386 nov-04 nov-06 Ricerca di base; Metodologie di progetto; Prototipi.

Nuove applicazioni industriali; Security; Altro (Robotica di servizio, Robotica sottomarina, Sistemi di trasporto automatizzati, Monitoraggio ambientale, Domotica)

Produttori ed integratori di sistemi robotizzati.

http://webuser.unicas.it/picture/

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della pianificazione del moto; * tecniche di controllo basate su retroazione multi-sensoriale, per conferire un'adeguata capacità di reazione alle diverse condizioni ambientali; * uso di sistemi di locomozione non convenzionali, per consentire mobilità anche sui terreni non strutturati tipici delle applicazione in ambienti esterni; * coordinamento di sistemi veicolo-manipolatore, per ottenere destrezza di manipolazione in tutto lo spazio ambiente; * pianificazione e controllo del moto di squadre di robot, per realizzare l'azione sinergica di un insieme di veicoli autonomi; * robotica in

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ambienti sottomarini, per concretizzare le metodologie proposte ad uno specifico scenario applicativo. Per ulteriori informazioni si invita a consultare il sito disponibile alla URL http://webuser.unicas.it/picture/

HOPS: Hybrid Omnidirectional/Pinhole Sensor

Il sensore HOPS consiste nell'accoppiamento in un unico oggetto di due sensori visivi: il primo e' un sensore omnidirezionale di tipo catadiottrico, in cui cioe' la visione omnidirezionale e' ottenuta mediante riflessione della scena da riprendere su uno specchio concavo; il secondo e' una tradizionale telecamera dotata di motore che le consente di

Universita' di Parma

Stefano Cagnoni cagnoni@ce.unipr.it

Universita' di Parma

Universita' di Genova (Prof. Giovanni Adorni adorni@unige.it)

Nazionale 6 anni/uomo + 10000 Euro

2001 2007 Prototipo terza versione con telecamera tradizionale motorizzata

Security, nuove applicazioni industriali, robotica mobile

Produttori di apparecchiature per la sicurezza Integratori di sistemi robotizzati Comuni(controllo traffico)

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avere un grado di liberta' (rotazione). Il sensore unisce quindi la capacita' di osservare una scena a 360 gradi, con risoluzione limitata dall'estensione del campo visivo e risultati simili a quella che nel sistema visivo umano e' definita 'visione periferica', con lacapacita' di inquadrare una regione piu' limitata della scena di interesse a risoluzione piu' elevata, con risultati quindi analoghi alla cosiddetta 'visione foveale'. Il sensore ha quindi la capacita' di integrare in un unico oggetto la possibilita' di osservare una scena nella sua intierezza senza necessita' di parti in movimento, rendendo

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possibile quindi la realizzazione di meccanismi di 'allarme' nel momento in cui il sistema cui e' collegato 'percepisce' una variazione significativa della scena stessa, con la capacita' di analizzare poi la regione di interesse a piu' alta risoluzione con il sensore tradizionale. Per la particolare conformazione dello specchio, che consente di simulare l'effettiva osservazione di tutta la scena da un singolo punto di vista, e' possibile utilizzare HOPS anche come sistema di visione stereo e per ottenere immagini panoramiche

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Localizzazione ed esplorazione collaborativa tramite squadre di robot mobili

Il progetto ha lo scopo di progettare e realizzare squadre di robot mobili autonomi, sia terrestri che aerei, per applicazioni di localizzazione ed esplorazione. Il progetto prevede la realizzazione di piattaforme robotiche su ruote ed aeree, lo sviluppo di algoritmi di controllo e navigazione, lo sviluppo di algoritmi di localizzazione ed esplorazione, la realizzazione di prototipi sperimentali e la conduzione di campagne di esprimenti (www.sira.diei.unipg.it).

Università di Perugia, Dipartimento di Ingegneria Elettronica e dell'Informazione

Prof. Paolo Valigi, valigi@diei.unipg.it, +39.075.5853684

Università di Perugia, Dipartimento di Ingegneria Elettronica e dell'Informazione

ENEA, soggetti privati.

Fondi regionali e privati (collaborazioni industriali, fondi di Ateneo, Progetto Sviluppo 2006 Polo Scientifico Didattico di Terni)

100.000 euro gen-06 Dicembre 2007/giugno 2008

Ricerca di base (Pubblicazioni scientifiche) - Studio di fattibilità (Algoritmi di localizzazione, controllo ed esplorazione). - Prototipi e loro validazione sperimentale.

Apparecchiature domestiche, -Nuove applicazioni industriali, -Pulizia, -Security, -Supporto ad Anziani e disabili. -Inoltre: Automotive, applicazioni indoor (per la parte robot mobili su ruote) ed outdoor (per la parte di robotica di terra ed aria) - applicazioni di sorveglianza, monitoraggio, movimentazione.

Produttori di robot industriali -Integratori di sistemi robotizzati -Produttori di macchine agricole -Produttori di elettrodomestici -Produttori di apparecchiature per la sicurezza -Ed inoltre: Centri di ricerca, -soggetti gestori ed attuatori di politiche ambientali, -aziende private, utenti privati per uso personale (home robotics).

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DESIGN, SVILUPPO E REALIZZAZIONE DI ARCHITETTURE ROBOTICHE INNOVATIVE PER APPLICAZIONI ORTOPEDICHE

L’obiettivo del progetto è duplice: indagine e sviluppo teorico delle proprietà topologiche di manipolatori industriali; realizzazione di un manipolatore ad architettura ibrida parallela-seriale di tipo base moveable-points.L’indagine teorica si è concentrata sull’identificazione dei parameteri funzionali di un generico robot al fine di ottenere le caratteristiche desiderate di mobilità per l’end-effector. In particolare è stato studiato ed approfondito il concetto di isotropia cinetostatica e destrezza.I risultati sono stati applicati nel design e nella realizzazione di un manipolatore ibrido

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BRESCIA

Prof. Giovanni Legnani; giovanni.legnani@ing.unibs.it

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BRESCIA

- ITIA-CNR, Istituto di Tecnologie Industriali e per l’Automanzione del Centro Nazionale delle Ricerche, per quanto riguarda lo studio della topologia di manipolatori industriali;-POLITECNICO di MILANO per quanto riguarda il design del manipolatore CHEOPE.

COFIN 2001 2001 2007 L’indagine teorica ha prodotto alcuni risultati di rilievo nel design di manipolatori altamente isotropici.Il manipolatore CHEOPE è stato compiutamente realizzato e testato nei laboratori dell’Università degli Studi di Brescia. Il design del manipolatore ha permesso di raggiungere i risultati richiesti in fase di definizione delle specifiche; inoltre, grazie alla scelta della tipologia di attuazione, si è dimostrato che il robot potrebbe essere utilizzato anche in ambito industriale, non solo in quello medicale, per esempio per l’esecuzione di lavorazioni meccanche a bassa potenza come finitura

Industriale: applicazione di macchine a design innovativo in ambito medicale ed industriale -Industriale: ottimizzazione nel design dei robot

Produttori di robot industriali -Progettisti di macchine robotizzate

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parellelo-seriale a 7 gradi di mobilità per applicazioni ortopediche destinato all’inserimento di viti peduncolari nella spina dorsale. Il design di CHEOPE, questo il nome del manipolatore, è stato ottimizzato dal punto di vista delle proprietà cinetostatiche, risulta essere innovativo in quanto utilizza attuatori lineari brushless e consente la possibilità di recupero dei giochi meccanici attraverso il controllo in forza di un attuatore aggiuntivo.

superficiale, sbavatuara ed assemblaggio robotizzato.Vengono riportate alcune delle pubblicazioni inerenti all’oggetto del progetto:Fassi I., Legnani, g., Tosi, d., kineto-static indexes for the isotropic design of parallel mechanisms, proceedings of the 33rd isr (int. symposium on robotics) october 7 - 11, 2002 - h. giberti, p. righettini, d. tosi, g. legnani,r. adamini, progerro di “cheope”: un manipolatore ridondante ibrido palallelo-seriale,

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proc. of aimeta 2003, ferrara 9-12 sept. 2003 -d.tosi, g. legnani,p. l. magnani, calibration of “cheope” a parallel-serial redundant manipulator, proc. of aimeta 2003, ferrara 9-12 sept. 2003 - g. legnani, d. tosi, i. fassi, un manipolatore parallelo isotropo disaccoppiato a 6 gradi di libertà, proc. of aimeta 2005, firenze 11-15 sept. 2005 - d. tosi, g. legnani, n. pedrocchi, p. righettini, h.

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giberti cheope: a new hybrid redundant reconfigurable manipulator for surgical applications, proc. of aimeta 2005, firenze 11-15 sept. 2005 –i.fassi, g. legnani, d. tosi, geometrical conditions for the design of partial or full isotropic hexapods, journal of robotic systems, wiley, vol.22 (10), pp. 507–518 (2005) -g. legnani, d. tosi, i. fassi, the concept of isotropy for serial and parallel

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manipulators and its influence on force, velocity, stiffness and repeatability performances, proc of isr2006, monaco 15-17 may 2006

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RICERCA E SVILUPPO DI METODOLOGIE DI CALIBRAZIONE CINEMATICA PER ROBOT INDUSTRIALI

Il progetto focalizza la propria attenzione su tre aspetti fondamentali della calibrazione cinematica dei manipolatori industriali:Identificazione del set di parametri ottimo per un robot industriale a catena cinematica seriale o parallela;Identificazione e sviluppo di algoritmi numerici per il corretto condizionamento dei valori misurati;Studio e modellizzazione di differenti tipologie di sensori per la calibrazione cinematica di un robot industriale.Per quanto riguarda il primo punto, si sono identificati alcuni criteri per determinare quali siano i set di parametri più opportuni per

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BRESCIA

Prof. Giovanni Legnani; giovanni.legnani@ing.unibs.it

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CNI srl, Pesaro

2001 2006 I risutlati di rilievo sono sia teorici che sperimentali. Sono di seguito riportate alcune delle pubblicazioni inerenti sviluppate dal gruppo di lavoro inerenti all’oggetto del progetto:

G. Legnani, R. Adamini, D. Tosi, P.L. Magnani,“On the auto calibration of parallel kinematics Machines”, 15th congress aimeta, taormina sep. 26-29, 2001 - M. Tiboni, A. Omodei, G. Legnani, D. Tosi, P.L. Magnani , “Calibration of a 5 dof measuring robot by neural network”, 30th congress aias, alghero sept 12-15, 2001 - D. tosi, G. legnani, calibration of a parallel-serial hybrid redundant manipulat

Calibrazione di robot industriali; Utilizzatori ed integratori di sistemi robotizzati

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alcune famiglie di manipolatori industriali. Inoltre è stato sviluppato un criterio che permette, dato un set di parametri di calibrazione ed il modello cinematico del robot, di ridurre il numero dei parametri in base alla loro effettiva influenza nel processo di calibrazione cinematica.Per quanto riguarda il secondo punto sono stati sviluppati filtri numerici, basati sul modello del sistema, per il condizionamento delle misure ottenute dai sensori .Per quanto riguarda il terzo punto sono state studiate e testate sperimentalmente differenti tipologie di sensori per la calibrazione di robot, tra

or,proc. of isr 2003, chicago, 2-5 june 2003 - M. tiboni, G. legnani, P.L. magnani, D. Tosi, a colsed-loop neuro-parametric methodology for the calibration of a 5 dof measuring robot, proc. of cira2003, kobe, japan, 16-20 july 2003 - g. legnani, d. tosi, g. gritti, optimization of a low-cost wire sensor based calibration procedure for industrial robots, proc. of isr 2004, paris 23-26 march 2004. -

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cui:Sistemi emettitore laser –sensore ricevente Sensori a filo

fassi, g. legnani, d. tosi, geometrical conditions for the design of partial or full isotropic hexapods, journal of robotic systems, wiley, vol.22 (10), pp. 507–518 (2005) -g. legnani, d. tosi, i. fassi, the conceptof isotropy for serial and parallel manipulators and its influence on force, velocity, stiffness and repeatability performances, proc of isr2006, monaco 15-17 may 2006 - d. tosi, g. legnani, n.

320

pedrocchi, a new pose measuring system based on a spatial four bar linkage with r-s-s-r chain, proc of isr2006, monaco 15-17 may 2006

321

STUDIO DELLA DINAMICA DI MANIPOLATORI INDUSTRIALI INTERAGENTI CON L’AMBIENTE

Il progetto prevede di investigare dal punto di vista teorico e sperimentale il comportamento di un ampia famiglia di robot industriali e medicali nelle fasi di avvicinamento, contatto ed allontanamento con oggetti o con persone.In molte applicazioni industriali è necessario che il robot interagisca direttamente con l’oggetto che sta lavorando. Il controllo delle forze di interazione permette un duplice vantaggio di: Realizzare nuove applicazioni che ora non sono eseguibili utilizzando classici controlli in posizione/velocità; -Abbattare sensibilmente i tempi legati tempi legati

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Prof. Giovanni Legnani; giovanni.legnani@ing.unibs.it

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ITIA-CNR, Istituto di Tecnologie Industriali e per l’Automanzione del Centro Nazionale delle Ricerche

2005 Lo studio è ancora in corso

I risultati dello studio dei manipolatori sono stati molteplici: Produzione di nuovi schemi di controllo per manipolatori interagenti con l’ambiente -Sperimentazione di logiche di controllo avanzate per operazioni di sbavatura robotizzata -Per quanto riguarda le applicazioni medicali-riabilitative sono invece tutt’ora in fase di studio ed approfondimento.

Settore industriale : collaborazione uomo macchina; -Settoreindustriale : operazioni tecnologiche a bassa potenza; -Settore industriale : assemblaggio robotizzato; -Settore industriale : packaging; -Settore medicale : macchine per la riabilitazione degli arti superiori ed inferiori,

Produttori di robot industriali -Integratori di sistemi robotizzati -Produttori di apparecchiature biomedicali

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alla programmazione dei robot (il manipolatore può auto-istruirsi dalle informazioni ricevute dallo scambio di forze con l’ambiente e ciò permette di sviluppare algoritmi di controllo efficienti che riducano, ed in certi casi annullino, il tempo di programmazione off-line del compito)Lo studio dei manipolatori interagenti con l’ambiente permette anche di estendere le logiche di controllo alle situazioni di interazione tra operatore umano e robot.In alcune applicazioni industriali e medicali, l’operatore deve poter interagire e comandare il robot scambiando opportune forze con il robot stesso.

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In questa tipologia di task il movimento del robot viene determinato dalla misura diretta (attraverso sensori di forza) od indiretta (misura delle correnti agli azionamenti) della forza scambiata tra operatore e manipolatore, e ciò rende possibili operazioni come:Guidance: il robot interagisce solo con l’operatore, che attraverso l’applicazione di una forza determina la traiettoria di moto per l’end-effector del robot -Moltiplicatore di forza/precisione: il robot viene utilizzato come braccio articolato per svolgere operazioni in cui la forza o l’accuratezza dell’operatore risultano insufficienti; l’operatore

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agisce direttamente sul robot o su interfacce aptiche collegate al manipolatore -Applicazioni medicali: la possibilità di controllare forze scambiate tra il manipolatore e l’utilizzatore può essere ampiamente utilizzata nelle operazioni di riabilitazione articolare sia attiva che passiva

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SVILUPPO DI SISTEMI DI CONTROLLO PER CONTORNATURA ROBOTIZZATA DI OGGETTI DALLA FORMA INCOGNITA

L’obiettivo è quello di realizzare sistemi di controllo robusti ed innovativi per manipolatori industriali che consentano poperazioni di contornamento di oggetti di forma non nota a priori (quindi senza pianificazione off-line della traiettoria). Il sitema si basa su un’architettura di controllo ibrida in forza/velocità grazie alla quale si possono definire a piacere sia la velocità di tracciamento del profilo che la forza di contatto.Il progetto si inserisce nell’ambito di ricerca dello studio dei manipolatori industriali il cui controllo si basa sulla misura e sulla stima delle forze di contatto tra

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Prof. Giovanni Legnani; giovanni.legnani@ing.unibs.it

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2001 Studio ancora in corso.

I risultati sono stati sia teorici, produzione di algoritmi di controllo innovativi, che sperimentali. Riportiamo alcuni riferimenti a pubblicazioni del gruppo di lavoro su questi argomenti: -G. Ziliani, F. Jatta, G. Legnani, A. Visioli, "A gain-scheduling approach for hybrid force/velocity controlled robot contour tracking", 16th IFAC World Congress on Automatic Control, Prague (CZ), July 2005. -G. Legnani, A. Visioli, G. Ziliani, "An iterative learning control algorithm for contour tracking of unknown objects", IEEE International Conference on Robotics and Automation,

Robotica industriale tradizionale -Introduzione di robot cooperanti con gli operatori in aziende di piccole e medie dimensioni -Possibilità di robotizzare alcune lavorazioni meccaniche come la sbavatura, la ricostruzione delle geometrie, la calibrazione di manipolatori industriali Inoltre questo permetterebbe di rendere queste operazioni elementi di una linea di produzione automatica

Produttori di robot industriali -Integratori di sistemi robotizzati

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manipolatore e mondo esterno. Rispetto alla contornatura di un oggetto utilizzando sistemi di visione, l’utilizzo della retroazione della forza al contatto tra organo terminale ed oggetto permette di raggiungere prestazioni e frequenze di controllo elevate tali da garantire risultati esportabili a varie realtà industriali come ad esempio: Sbavatura robotizzata: robustezza elevata verso le imperfezioni douvte alle lavorazioni di pressfusione; possibilità di inserire la sbaatura nel processo di produzione; -Calibrazione cinematica dei manipolatori: il detecting di oggetti calibrati faciliterebbe la

Orlando (FL), pp. 3318-3323, May 2006. -G. Ziliani, G. Legnani, A. Visioli, "Iterative learning control for hybrid force/velocity control", 37th International Symposium on Robotics, Munich (D), May 2006. -F. Jatta, G. Legnani, A. Visioli, G. Ziliani, "On the use of velocity feedback in hybrid force/velocity control of industrial manipulators", Control Engineering Practice, Vol. Vol. 14, No. 9, pp. 1045-1055, 2006. -G. Legnani, A. Visioli, G. Ziliani, "A comparison between implicit and explicit hybrid control for contour tracking", 8th IFAC Symposium on Robot Control, Bologna (I),

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calibrazione abbattendone i costi e rendendo possibile una calibrazione durante il ciclo di lavoro del robot; -Applicazione nel reverse engineering; Il progetto si è sviluppato in un’indagine teorica molto approfondita ed una sperimentazione delle tecniche sui robot a disposizione dei laboratori della facoltà di Ingegneria dell’Università degli studi di Brescia.

September 2006. - G. Ziliani, A. Visioli, G. Legnani, "Gain scheduling for hybrid force/velocity control in contour tracking task", International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 3, No. 4, December 2006. - A. Visioli, G. Ziliani, G. Legnani, Friction compensation in hybrid force/velocity control for contour tracking tasks", in Industrial Robotics: Theory, Modelling and Control, in press.

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Grand Challenge e Urban Challenge

La Grand e la Urban Challenge sono gare per veicoli completamente autonomi proposte dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti a partire dal 2004. In entrambi i casi i veicoli partecipanti devono percorrere un tragitto (in ambiente axtraurbano nel caso della Grand Challenge o in ambiente Urbano nel caso della Urban Challenge) in maniera completamente automatica. Il VisLab ha sviluppato il sistema di visione del veicolo TerraMax che ha partecipato alle edizioni 2004 e 2005 della Grand Challenge; in particolare, nel 2005, il veicolo TerraMax, è arrivato quinto al traguardo su

VisLab broggi@ce.unipr.it

Oshkosh Truck Corporation

Teledyne Scientific Company IBEO Automobile Sensor GmbH Auburn University

Privato: Oshkosh

5.000.000 USD per il 2005 e presumibilmente altrettanti per il 2006/2007

2004 novembre 2007 (presunta)

sviluppo di un veicoloprototipo completamente autonomo

trasporti, militare, automazione

case automobilistiche, produttori di accessori per il trasporto, sistemi di sicurezza

Tabella 1 - Bertozzi allegato vislab-brochure.pdf

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oltre 200 partecipanti guidando in maniera completamente autonoma. Il prossimo appuntamento è con la Urban Challenge nel novembre 2007.

PReVENT-APALACI

Progetto integrato finanziato dalla comunità europea per lo sviluppo di sistemi e tecnologie per la sicurezza nei trasporti. In particolare il VisLab si è occupato dello sviluppo di sistemi di visione mono e stereo per l'individuazione e classificazione di ostacoli e anche di sistemi di data-fusion tra radar e telecamere.

VisLab bertozzi@ce.unipr.it

DaimlerChrysler

Elenco non esaustivo:-Centro Ricerche FIAT –BOSCH -IBEO-Volvo Technologies

Europeo FP6 54.000.000 EUR

01-feb-04 31-gen-08 Sviluppo di numerosi sistemi di sicurezza per veicoli, tra cui sistemi di individuazione e classificazione ostacoli, start inhibit, visione notturna, etc.

trasporti e sicurezza

case automobilistiche, produttori sistemi e accessori per autotrasporto

Tabella 1 - Bertozzi allegato vislab-brochure.pdf

Human Shape Detection

Progetto finanziato da TARDEC/TACOM, centro di ricerca delle forze armate degli Stati Uniti per lo sviluppo di un sistema di

VisLab bertozzi@ce.unipr.it

TARDEC TARDEC US Naval Regional Contracting Center, UK Detachment

320.000 USD 2002 2007 (presunta)

Sviluppo di un sistema di visione integrato visibile-infrarosso per l'individuazione di sagome umane.

sistemi di sicurezza

sistemi di sicurezza

Tabella 1 - Bertozzi allegato vislab-brochure.pdf

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visione multi-telecamera installato a bordo di un veicolo per l'individuazione di sagome umane.

Pedestrian Detection using NIR/FIR imagery and radar)

Progetto per lo sviluppo di un sistema di visione all'infrarosso (sia termico che vicino infrarosso) da installarsi su di un veicolo per l'individuazione di pedoni

VisLab broggi@ce.unipr.it

Volkswagen AG

nessun altro partner

Volkswagen AG

540.000 EUR 2001 2005 Sistema di visione all'infrarosso

trasporti e sicurezza

case automobilistiche, produttori sistemi di sicurezza e accessori per autotrasporto

Tabella 1 - Bertozzi allegato vislab-brochure.pdf

SmartHand -The Smart Bio-adaptive Hand Prosthesis

SmartHand è un progetto innovativo e interdisciplinare, che combina diversi ambiti di ricerca quali le scienze dei materiali, le bio-tecnologie, l’IT con le neuroscienze, per sviluppare una mano artificiale contenente tutte le caratteristiche base della mano umana. L’obiettivo principale è sviluppare una mano artificiale che assomigli, si comporti, e

Scuola Superiore Sant’Anna, ARTS Lab.

Prof. Maria Chiara Carrozza, email: carrozza@sssup.it

Lund University , Lund, Svezia.

Aalborg University, Aalborg, Danimarca; Tel Aviv University, Tel Aviv, Israele; Tyndall Institute, Cork, Eire; Ossur, Islanda; SciTech Link HB, Lund, Svezia.

Europeo € 1.800.000 01/11/2006 31/10/2009 Prototipo Medicina e riabilitazione degli amputati.

Produttori di apparecchiature biomedicali

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sia sentita dai pazienti come la mano naturale. Obiettivo a breve termine è lo sviluppo di una mano artificiale non invasiva, che possa essere controllata dai muscoli residui dell’amputato, tramite un’interfaccia elettromiografica, e che fornisca una percezione della stessa al paziente tramite un display tattile. Saranno sviluppati dei software di training per allenare il paziente, e saranno effettuati studi qualitativi e quantitativi sugli amputati.L’obiettivo a lungo termine è invece realizzare una avanzata interfaccia neurale in grado sia di registrare le intenzioni del paziente e

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tradurle in movimenti della mano, sia di stimolare il sistema nervoso di modo da fornire all’amputato un’intima percezione del sistema sensoriale propriocettivo ed esterocettivo integrato nella mano robotica. Il raggiungimento di tale obiettivo porterà una migliore conoscenza delle neuroscienze cognitive utile in campo medico nel settore dei traumi neurali in genere.

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NEUROBOTICS - The fusion of NEUROscience and roBOTICS

The ultimate objective of the NEUROBOTICS project is very ambitious, yet clear and well defined: to introduce a discontinuity in the robot design, thus going literally ‘Beyond Robotics’. This discontinuity will be pursued by a strategic alliance between Neuroscience and Robotics, which will go well beyond present, mostly fragmented, collaborations, and lead to overcome state-of-the-art of robotics worldwide. NEUROBOTICS will systematically explore the area of Hybrid Bionic Systems (HBSs). Starting from the most advanced state of the art in neuroscience,

Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, ARTS Lab

Prof. Paolo Dario, dario@sssup.it

Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa

Collège de France, France Deutsches Zentrum fur Luft und Raumfahrt, Germany Institute for Biomedical Engineering, Germany Karolinska Institutet, Sweden Katholieke University Leuven, Belgium Kungl Tekniska Högskolan, Sweden National Technical University of Athens, Greece Umea Universite, Sweden Universitat Autònoma de Barcelona, Spain University of Genova, Italy University of Parma, Italy Université P. et M. Curie, France Universita' Di Ferrara, Italy Pontedera e Tecnologia, Italy Università Campus Bio-Medico, Italy

Europeo € 6.727.168 01/01/2004 31/12/2007 Ricerca di base e prototipi

Medicina e riabilitazione Supporto ad anziani e disabili

Produttori di apparecchiature biomedicali

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NEUROBOTICS will aim at developing new integrated robotic artefacts, as much biomorphic as required to be effectively interfaced with human body and brain. Three robotic platforms featuring different levels of hybridness (i.e. mechanical coupling with the human body) and of connectivity (to the human nervous system) will be developed: biomimetic scalable artefacts to be remotely controlled by a human operator; intelligent wearable artefacts loosely physically coupled with the human body; arm-hand sub-systems tightly physically coupled with the human

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body.

ROBOCASA - Laboratorio Congiunto di Robotica Umanoide e Personale

Il laboratorio congiunto per la ricerca in Robotica Umanoide & Personale “RoboCasa” è stato avviato nel 2003 con il supporto delMinistero degli Affari Esteri, Direzione Generale per la Promozione e Cooperazione Culturale, all’interno del 7° Programma Esecutivo di Cooperazione Internazionale fra Italia e Giappone 2002-2006 (esteso sino al 2007),

Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, ARTS Lab

Prof. Paolo Dario, dario@sssup.it

Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa.

Waseda University, Japan

Nazionale €840,00 01/01/2004 31/12/2007 Ricerca di base, prototipi, progetti

Medicina e riabilitazione Supporto ad anziani e disabili

Produttori di apparecchiature biomedicali

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sezione Robotics and Production Technology. L’iniziativa proposta si colloca nell’ambito della collaborazione più che ventennale tra la Scuola Superiore Sant’Anna (SSSA) e la Waseda University di Tokyo, con particolare riferimento alla collaborazione nel settore della robotica umanoide e personale tra l’ARTS Lab (Advanced Robotics Technology and Systems Laboratory) della SSSA e l’HRI (Humanoid Robotics Institute) della Waseda University. Obiettivo strategico di RoboCasa è il consolidamento del legame tra Italia e Giappone, instaurando e solidificando collegamenti tra università, centri di

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ricerca e piccole e medie imprese ad alta tecnologia delle due nazioni (e, per estensione, in Europa e in Asia), nei campi della robotica avanzata (robotica umanoide, bio-robotica, neuro-robotica, robotica riabilitativa e personale), tecnologie mediche e biomediche, e relative micro- e nano-tecnologie.

CARE –Coordination Action for Robotics in Europe

The objective of Coordination Action for Robotics in Europe, CARE, is to coordinate the actions and initiatives in the field of robotics in Europe for the first three years of the Framework Programme 7 (FP7). CARE brings together large, medium and

Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, ARTS and CRIM Labs

Prof. Paolo Dario, dario@sssup.it

Sagem DS, France

KUKA Roboter GmbH, Germany Fraunhofer IPA, Germany Deltatron, Finland Itechnic, United Kingdom Alenia Aeronautica, Italy EADS Space, Germany CEA LIST, France CNRS-LAAS,France RURobot, United

Europeo € 1.494.566 01/11/2006 31/10/2009 progetti Apparecchiature domestiche Agricoltura Entertainment Medicina e riabilitazione Micro e nano robotica Nuove applicazioni industriali Pulizia Robotica industriale tradizionale Security Supporto ad anziani e disabili

Produttori di robot industriali Integratori di sistemi robotizzati Produttori di macchine agricole Produttori di apparecchiature biomedicali

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small companies as well as research centres, all with the common objective of promoting the strength and development of the robotics activities in Europe. The foundation of CARE is based on EUROP (the European RObotic Platform) which is a European Technology Platform (ETP) gathering more than 80 members endorsing the platform objectives and attracting a fast growing interest. CARE directly supports the objectives of EUROP which has the ambitious mission to see Europe maintaining its leading position in robotics and develop new companies

Kingdom Indra, Spain Robosoft, France Galileo Avionica, Italy Eunited, Belgium COMAU, Italy Scuola di Robotica, Italy

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and supply networks to meet the new technology needs while also supporting the Lisbon objectives. CARE also has a close relationship to the Network of Excellence EURON (EUropean RObotics Network) and has the clear vision to cooperate with other European and national initiatives in the robotics field to enable a relevant and consistent work in the actions planned. CARE covers the complete robotics picture including industry, service (both professional and domestic), security and space.

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SAFEHAND -Progettazione e sperimentazione di una Protesi di Mano Cibernetica

Il progetto SAFEHAND è finalizzato alla progettazione e realizzazione di una protesi cibernetica, che imiti il più possibile le prestazioni senso-motorie dellamano naturale. riuscendo così a superare i limiti delle protesi di mano attualmente in commercio. Le attività previste nell'ambito del progetto SAFEHAND sono le seguenti:(a) Progettazione, fabbricazione e sperimentazione del prototipo di mano integrando sinergicamente il sistema di attuatori, il sistema di sensori e l'elettronica di controllo di basso livello e di alto livello a partire dal prototipo di

Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, ARTS Lab

Prof.ssa Maria Chiara Carrozza, carrozza@sssup.it

Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa

Univ. "Campus Bio-Medico" ROMA Università degli Studi di CAGLIARI

Finanziamento Nazionale: PRIN 2006 (Programmi di Ricerca Scientifica di Rilevante Interesse Nazionale)

€157,15 2007 2009 Prototipi Medicina e riabilitazione

Produttori di apparecchiature biomedicali

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mano CYBERHAND; (b) studio di strategie di controllo innovative per identificare le intenzioni dell'utente per controllare il "reaching" e la presa in diverse modalità di presa; (c) progettazione, sviluppo e sperimentazione dell'unità elettronica di condizionamento dei bio-segnali efferenti e pergenerare il pattern di stimolazione afferente; (d) sviluppo metodi di progettazione intrinsecamente sicuri per sviluppare un sistema realmente accettabile ed utilizzabile dal paziente nella pratica clinica.

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RobotCub Il Progetto ROBOT-CUB ha come primo obiettivo la realizzazione di una piattaforma robotica openavente l’apparenza e le dimensioni di un bambino di due anni. Tale sistema sarà reso accessibile all’intera Comunità Scientifica per essere studiato e soprattutto utilizzato nell’analisi dello sviluppo dei processi cognitivi.

Scuola Superiore Sant’Anna, ARTS Lab

Prof. Paolo Dario, dario@sssup.it

DIST (Università di Genova)

UNIVERSITAET ZUERICH UPPSALA UNIVERSITET UNIVERSITA DEGLI STUDI DI FERRARA THE UNIVERSITY OF HERTFORDSHIRE INSTITUTO SUPERIOR TECNICO THE UNIVERSITY OF SALFORD ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNETELEROBOT

Europeo € 9.202.360 01/10/2004 30/09/2009 Ricerca di base, prototipi

Piattaforma di ricerca per le neuroscienze

Produttori di Robot Umanoidi

http://www.robotcub.org/

Revolutioning Prosthetics Program 2009 (RPP 2009)

Sotto la supervisione dell’ Applied Physics Laboratory della Johns Hopkins University, il progetto RPP2009 si pone l’obiettivo di riunire i maggiori neuroscienziati, clinici ed esperti mondiali per la realizzazione di una rivoluzionaria protesi di

Scuola Superiore Sant’Anna, ARTS Lab

Prof.ssa Maria Chiara Carrozza, carrozza@sssup.it

Advanced Physics Laboratory (APL), Johns Hopkins University, Baltimore MA, USA

University of South California Northwesterm University (Chicago) Vanderbilt University New World Associates Inc. (USA) Otto Bock GmbH (Germania) NASA Utah University RIC (Rehabilitation Institute of Chicago)

Stati Uniti d’America

30.4 milioni di dollari

gen-06 Dicembre 2007 (con estensione facoltativa di altri 2 anni)

Prototipo industrializzato

Medicina e riabilitazione, Supporto a disabili

Produttori di protesi e apparecchiature biomedicali

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arto superiore neuro-controllata. L’approccio alla problematica considera sia gli aspetti clinici ed ingegneristici sia ricerche nel campo delle neurofisiologia e della psicologia dell’utilizzatore.

Sant’Anna BIped humANoid (SABIAN) Project

Il Wabian (WAseda BIped humANoid) 2 è l’unico robot umanoide in grado di imitare la camminata umana. Sviluppato presso il Takanishi Lab della Waseda University (Tokyo), è stato preso come modello di partenza per la realizzazione di una nuova versione (SABIAN) realizzata in Italia. Tale progetto rientra nella collaborazione Italia/Giappone e più

Scuola Superiore Sant’Anna, ARTS Lab

Prof. Paolo Dario, dario@sssup.it

Scuola SuperioreSant’Anna, ARTS Lab

Takanishi Laboratory, Waseda University, Tokyo, JAPAN

Nazionale (Ministero degli Esteri) e Fondi interni SSSA

-------------------

01-ott-06 --------------------

Progetto; Prototipo; Ricerca di Base

Piattaforma Robotica per l’implementazione di nuove soluzioni hardware e software nella Robotica Umanoide

Produttori di Robot Umanoidi

http://www.takanishi.mech.waseda.ac.jp/research/wabian/index.htm

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precisamente nella fondazione del laboratorio congiunto WASEDA/Sant’Anna ‘Robot-An’ in Pontedera.

ETHICBOTS Emerging Technoethics of Human Interaction with Communication, Bionic, and robOTic systems

ETHICBOTS will promote and coordinate a multidisciplinary group of researchers into artificial intelligence, robotics, anthropology, moral philosophy, philosophy of science, psychology, and cognitive science, with the common purpose of identifying and analyzing techno-ethical issues concerning the integration of human beings and artificial (software/hardware) entities. The proposed coordinated work will: -Identify techno-ethical case-studies on the basis of a state-of-the-

Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, ARTS Lab

Prof.ssa Cecilia Laschi, cecilia@arts.sssup.it

Università "Federico II", Napoli, Dipartimento di Scienze Fisiche

Fraunhofer Institute for Autonomous intelligent Systems, Sankt Augustin, Germany Scuola di Robotica, Genova, Italy Institute of Applied Philosophy, Faculty of Theology, Lugano, Switzerland University of Reading, department of Cybernetics, UK Hochschule der Medien University of Applied Sciences, Stuttgart, Germany LAAS-CNRS, Toulouse, France University of Pisa, Department of Philosophy, Italy Middlesex University,

Europeo 01-nov-05 01-nov-07 Progetti Tutti Tutti

http://ethicbots.na.infn.it/goals.php

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art survey in emerging technologies for the integration of human and artificial entities. -Identify and analyze techno-ethical issues concerned with the integration of human beings and artificial entities, by means of case-studies analysis. -Establish a techno-ethically aware community of researchers, by promoting workshops, dissemination, training activities, as well as by the construction of an internet knowledge-base, on the subject of techno-ethical issues emerging from current investigations on the interaction between biological and artificial (software/hardware) entities. -

Interaction Design Centre, School of Computing, London, UK

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Generate inputs to EU for techno-ethical monitoring, warning, and opinion generation.

MOVEMENT - Modular VersatileMobility Enhancement Technology

Il progetto Europeo MOVEMENT ha lo scopo finale di sviluppare un sistema modulare per il miglioramento della mobilità. Il cuore di tale sistema è costituito da una base mobile (robotica) che può agganciare uno dei moduli (sedia, manipolatore, sistema di comunicazione) di cui l’utente di volta in volta può necessitare. Alcuni di questi moduli

Scuola Superiore Sant’Anna, ARTS Lab

Prof.ssa Maria Chiara Carrozza, carrozza@sssup.it

Technische Universität Wien, AT

ARC Seibersdorf Research GMBH, AT Institute for Rehabilitation Research, NL BlueBotics SA, CH Otto Bock Health Care, DE Katholieke Universiteit Leuven, BE Technische Universität München, DE

Europeo € 2.432.230 01/09/2004 31/12/2007 Prototipi Supporto ad anziani e disabili

Produttori di apparecchiature biomedicali

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sono innovativi rispetto a quelli equivalenti presenti sul mercato ma diventano potenti ausili quando agganciati alla base mobile. L’obiettivo è di assolvere a tutte e tre le dimensioni della mobilità personale: movimentazione della persona, movimentazione degli oggetti, movimentazione delle informazioni.

DEDALO Sviluppo di un dispositivo robotico per la nutrizione che permetta a persone con disabilità motoria agli arti superiori di mangiare e bere. La progettazione ha seguito una metodologia incentrata sugli utenti finali con lo scopo di realizzare un dispositivo con caratteristiche di costi

Scuola Superiore Sant’Anna, ARTS Lab

Prof.ssa Maria ChiaraCarrozza, carrozza@sssup.it

Scuola Superiore Sant’Anna, ARTS Lab

Locale (Fondazione Cassa di Risparmio di Pisa)

€150,00 01/03/2004 28/02/2006 Prototipi e progetti

Supporto ad anziani e disabili

Produttori di apparecchiature biomedicali

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contenuti, facilità d’uso, aspetto familiare, alte performance.

URUS: Ubiquitous Networking Robotics in Urban Settings

Realizzazione di una rete di robot per applicazioni di monitoraggio e trasporto di oggetti e persone in ambienti urbani.

Scuola Superiore Sant'Anna, ARTS Lab

Prof. Paolo Dario, dario@sssup.it

Technical University ofCatalonia, Spain

LAAS, France ETHZ, Switzerland AICIA, Spain University of Saragoza, Spain Istituto Superior Tecnico, Lisbon, Portugal University of Surrey, UK Urban Ecology Agency of Barcelona, Spain Telefonica I+D, Spain RoboTech srl, Italy

Europa € 3.970.156 01/12/2007 30/11/2010 Prototipi e dimostratori

Altro: Trasporto urbano di oggetti e persone e guida Supporto ad anziani e disabili

Altro: Amministrazioni pubbliche municipali Integratori di sistemi robotizzati

TACT (Thought in Action)

E’ un progetto di ricerca, finanziato dal 6° Programma Quadro della Comunità Europea nell'ambito del programma NEST-Adventure, che mira a sviluppare una serie di ausili tecnologici, non-intrusivi e di facile uso, insieme ad una

Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa Italy, ARTS

Prof. Cecilia Laschi cecilia@sssup.it

Universita' Campus Bio-Medico Italy

University of Edinburgh -United Kingdom Uppsala Universitet –SwedenIRCCS E. MEDEA -Associazione "La Nostra Famiglia" –Italy Scuola Superiore Sant'Anna –Italy Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) -Switzerland

Europa 01-nov-05 30-ott-08 Progetto e sviluppo di giocattoli sensorizzati capaci di estrarre parametri dai movimenti, compiuti dal bambino nel giocare con i giocattoli stessi per analizzare azioni intenzionali tipiche dell’infanzia, in particolare azioni con un intento comunicativo.

Supporto ad anziani e disabili Medicina e riabilitazione

Produttori di apparecchiature biomedicali

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metodologia al fine di estrarre piùinformazioni dal movimento e dalla gestualità dei bambini di quanto non sia attualmente possibile. Lo scopo di TACT è di analizzare azioni intenzionali tipiche dell’infanzia, in particolare azioni con un intento comunicativo (gesti, sguardi, ecc…) per mezzo di giocattoli sensorizzati capaci di estrarre parametri dai movimenti, compiuti dal bambino nel giocare con i giocattoli stessi, ma anche capaci di misurare il tipo di presa con la mano, sia in termini di forza esercitata che di configurazione della mano. Al fine di esplorare il mondo emotivo del

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bambino, alcuni giocattoli sono progettati in modo da rispondere a determinati tipi di manipolazione con suoni e melodie la cui complessità varia col variare della complessità dei movimenti stessi.

DustBot -Networked and Cooperating Robots for Urban Hygiene

Il progetto DustBot che prevede la partecipazione di nove partner europei (Inghilterra, Italia, Spagna, Svezia, Svizzera) con una marcata presenza di realtà dell’industria, della società e della ricerca, si propone di realizzare e sperimentare una nuova piattaforma tecnologica per l’ottimizzazione della gestione dei rifiuti e il miglioramento dell’igiene ambientale,

Scuola Superiore Sant’Anna_Laboratorio CRIM

Prof. Paolo Dario, eMail: paolo.dario@sssup.it

Scuola Superiore Sant’Anna

RoboTech SRL (I), Multidisciplinary Institute for Developments Researches and Applications (I), Örebro Universitet (S), HW Communications Limited (GB), ROBOTIKER Tecnalia (E), Synapsis SRL (I), Hochschule für Technik + Architektur Luzern (CH), Haute Ecole d'Ingenierie et de Gestion du Canton de Vaud (CH)

Progetto Europeo (Programma IST, “La Società dell’Informazione e della Tecnologia”; Obiettivo Strategico “Robotica Avanzata” del Sesto Programma Quadro di Ricerca e Sviluppo Tecnologico della Commissione Europea)

2.822.600 € 01-dic-06 30-nov-09 Progetto di ricerca

Nuove applicazioni industriali Pulizia Supporto ad anziani e disabili

Produttori di robot industriali Integratori di sistemi robotizzati

http://www.dustbot.org/

351

della qualità dell’aria e della sicurezza nelle città, attraverso l’impiego di una rete di piccoli robot autonomi e cooperanti. I robot sviluppati nell’ambito di DustBot saranno in grado di operare in ambienti parzialmente strutturati (come piazze, strade, vicoli, parchi, ecc.) allo scopo di pulirli da rifiuti e sporcizia e saranno muniti di sensori per l’analisi di inquinanti atmosferici (per es.: monossidi di azoto e di zolfo, ozono, benzene, ecc.). I robot saranno in grado di trasportare piccole quantità di rifiuti direttamente da casa dell’utente, verso punti di raccolta ad hoc, al di fuori del

352

centro storico. Il cittadino potrà infatti chiamare il robot a casa mediante una semplice telefonata e collocare il sacchetto dei rifiuti in un apposito contenitore trasportato dal robot stesso. I cittadini/utenti potranno inoltre interagire con il robot suddetto e ricevere informazioni utili riguardanti la qualità dell’aria, la gestione del territorio o semplici informazioni turistiche. Questi robot rappresenteranno un valido aiuto soprattutto per la raccolta di rifiuti in contesti urbani storici o di difficile accesso, caratterizzati da vicoli stretti e zone scoscese che non consentono l’agevole

353

passaggio di mezzi pubblici per la rimozione dei rifiuti. La rete di robot e sensori sviluppati nel progetto sarà installata e dimostrata in cinque diverse città europee, tre delle quali in Toscana: Massa, Pontedera, Peccioli, Bilbao (Spagna) e Örebro (Svezia).

VECTOR -Versatile Endoscopic Capsule for gastrointestinal TumOr Recognition and therapy

Realizzazione di uno strumento integrato di diagnosi e terapia per il tratto gastro-intestinale.

Scuola Superiore Sant’Anna, CRIM Lab

Prof. Paolo Dario, dario@sssup.it

Novineon Healthcare Technology Partners, GmbH (Germany)

SINTEF (Norway) KIST Europe GmbH (Germany) SENSITEC GmbH (Germany) KU – Leuven (Belgium) EPFL –Optical Microdiagnosis Group (Switzerland) CTMN (France) Endosmart GmbH (Germany) Society for Medical Innovation and Technology e.V. (International) Ovesco Endoscopy GmbH

Europeo € 9.548.011 01/09/2006 31/08/2010 Ricerca di base; studi di fattibilità; simulazioni; progetti; prototipi; prototipi industrializzati

Medicale Produttori di apparecchiature biomedicali

http://www.vector-project.com/

354

(Germany) netMed AISBL(Belgium) ERA Endoscopy S.r.l. (Italy) University of Barcelona (Spain) FORTH Foundation (Greece) Innovent Technology e.V. (Germany) Intelligent Microsystem Center (South Korea) Jagiellonian University -Cracow (Poland) NEURICAM SPA (Italy)

micro-SurF -Micro-Strumentazione per Chirurgia Fetale –

Questo progetto è dedicato alla progettazione ed alla realizzazione di strumentazione sensorizzata per chirurgia cardio-fetale. La strumentazione in questione, di dimensioni compatibili con gli spazi ventricolari dei feti, oltre al requisito primario di elevata miniaturizzazione,

Scuola Superiore Sant’Anna, CRIm Lab

Prof. Paolo Dario, dario@sssup.it

Scuola Superiore Sant’Anna

No Fondazione Cassa di Risparmi di Pisa

€329,33 01/01/2005 31/03/2007 Prototipo Medicale Produttori di apparecchiature biomedicali

355

dovrebbe offrire la possibilità di distinguere alcuni tessuti cardiaci avvalendosi di diverse tecniche.

I-SWARM Intelligent Small World Autonomous Robots for Micro-manipulation

The proposedproject aims to take a leap forward in robotics research by combining experts in microrobotics, in distributed and adaptive systems as well as in self-organising biological swarm systems. The project aims at technological advances to facilitate the mass-production of microrobots, which can then be employed as a “real” swarm consisting of up to 1,000 robot clients. These clients will all be equipped with limited, pre-rational on-board intelligence. The swarm will consist

Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, Italy, CRIM Lab

Prof. Paolo Dario, dario@sssup.it

Institute for Process Control and Robotics,Universität Karlsruhe (TH), Germany.

Uppsala University Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne Fraunhofer Gesellschaft Karl-Franzens-University Graz National Technical University of Athens Sheffield Hallam University University of Barcelona University of Stuttgart

Europa € 5.064.000 01/01/2004 31/12/2007 Prototipo (industrializzato): sciame di 1.000 microrobot di circa 3 x 3 x 3 mm3

- Micro e nano robotica – Pulizia -Entertainment

Produttori di microrobot mobili (ricerca, educazione, divertimento)

http://www.i-swarm.org/

356

of a huge number of heterogeneous robots, differing in the type of sensors, manipulators and computational power. Such a robot swarm is expected to perform a variety of applications, including micro assembly, biological, medical or cleaning tasks. Building on a large expertise in microrobot technologies, the project addresses topics like polymer actuators, collective perception, using (instead of fighting) micro scaling effects, artificial and collective intelligence. The project results will enable humans to further understand the micro world, bridge the gap

357

between micro and nano technologies and be the stepping stone to a “real artificial ant”. Main web-site:

ApprEndo –Sviluppo di metodiche e approcci endovascolari per la diagnosi e la cura della patologia cerebrovascolare, ed esplorazione di nuove tecniche per l’esecuzione di interventi chirurgici a bassissima invasività con l’ausilio della guida robotica

Studio su visione, localizzazione, analisi del gesto e percezione delleforze in chirurgia mininvasiva. Studio di un dissettore laser (taglio e coagulo) orientabile per laparoscopia, per superare i limiti degli attuali dissettori rigidi. Studio degli effetti del laser sui tessuti, ricerca su componenti meccaniche e ottiche, prototipo dello strumento. Studio di un dispositivo eso-vascolare,

Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, CRIM Lab

Prof. Paolo Dario, paolo.dario@sssup.it

Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa

El.En. S.p.A., Calenzano (FI) Università di Pisa Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), Pisa Società di Ricerca “Tecnobiomedica”, Roma

Nazionale € 3.486.000 05-nov-02 05-mag-07 Ricerca di base, prototipi a tudi di fattibilità

Medicina e riabilitazione

Produttori di apparecchiature biomedicali

358

applicabile per via laparoscopica: esoscheletro superelastico per contenere e mantenere in sede protesi vascolari e utile per il trattamento di anastomosi. Prototipo di strumento robotico hand-held, leggero e maneggevole, per chirurgia mininvasiva, sostitutivo dei sistemi teleoperati, il cui uso è limitato da fattori di costo e di tempi di allestimento. Prove su banco di una sonda optoacustica. Studio della fluorescenza come ausilio per l’orientamento di un catetere endovasale senza ricorrere ad ischemia temporanea del tratto per consentire la visione ottica.

359

ARES -Assembling Reconfigurable Endoluminal Surgical system

Il progetto ARES punta a sviluppare una intera nuova famiglia di strumenti chirurgici che possano essere decomposti in più moduli di base che riescano ad essere introdotti all’interno del corpo umano attraverso orifizi naturali (per ingestione o inalazione), piccoleincisioni o tramite iniezione, ed una volta all’interno capaci di ricombinarsi e riconfigurarsi in strutture cinematiche anche complesse direttamente sul sito di interesse. Con lo scopo di ottenere risultati tangibili all’interno dei tre anni di progetto,ARES viene indirizzato specificatamente allo sviluppo di

Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, CRIM

Prof. Paolo Dario, dario@sssup.it

Scuola Superiore Sant’Anna

Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique, Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich, Universitat de Barcelona – Centre de Recerca en Bioelectronica i Nanobiociencia

Europeo € 1.406.000 01/02/2006 31/01/2009 Prototipo Micro e nano robotica Chirurgia Mini Invasiva

Produttori di apparecchiature biomedicali

360

un prototipo di robot per la chirurgia del tratto gastrointestinale.

361

Aziende Italiane

362

Azienda Contact Person Tecnologia da sviluppare/migli

orare

Disponibilità a partecipare adun progetto di

ricerca

Applicazioni Ricadute previste sul

mercato dell’Azienda

Applicazioni su mercati diversi

Tempistica per lo studio

Tempistica per lo sviluppo

Tempistica per l’ingegnerizzazio

ne

Link

AITEK S.p.A. Fabrizio Ferrari ferrari@aitek.it

Sistemi di controllo di movimentazione container in ambito portuale.Aitek sta studiando un sistema complesso in grado di controllo sbarco, imbarco e transito su gomma dei container all’interno di un terminal portuale. Il progetto, pur non costituendo un sistema robotica vero e proprio, coinvolge numerose tecnologie direttamente collegate alla robotica. Aitek copre autonomamente le componenti informatiche e di elaborazione immagini ma sta cercando partner con competenze elettro meccaniche e robotica in grado di studiare e realizzare le infrastrutture necessarie.

SI Aitek è interessata a partecipare sia a programmi di ricerca in ambito Italiano che Europeo con preferenza per il 7 Programma Quadro

Ambito portuale o aree di scambio container dove sia necessario tracciare le movimentazioni sia per ragioni gestionali che di sicurezza (normative internazionali).

Progetto con alta percentuale di rischio ma con un mercato potenziale molto alto che potrebbe portare allo sviluppo di un società dedicata alla sua penetrazione.

Applicazione nell’ambito dei sistemi ITS (intelligent transport System)

1 anno 2 anni max 1 anno dal prototipo

http://www.aitek.it/

AITEK S.p.A. Fabrizio Ferrari ferrari@aitek.it

Miglioramento della tecnologica Retinica: sensori visivi a risoluzione spazio variante. La

SI Aitek è interessata a partecipare sia a programmi di ricerca in ambito Italiano che

Tutte le applicazioni in cui vengono coinvolti sensori di tipo visivo sia per applicazioni

Progetto che richiede molti investimenti ma che potrebbe portare allo sviluppo di un

Controllo Industriale Militare AeroSpaziale Multimedia

½ anno ½ anno 1 anno dal prototipo

http://www.aitek.it/

363

tecnologia Retinica è una tecnologia coperta da brevetto Aitek sia in Europa che in USA. Retina II EP 99203202 Retina II US 09675095

Europeo con preferenza per il 7 Programma Quadro

industriali sia robotiche.

mercato molto ampio.

AITEK S.p.A. Fabrizio Ferrari ferrari@aitek.it

Robot Mobile per applicazioni di Sicurezza Aitek è interessata a sviluppare/migliorare le tecnologie di visione applicate sia alla guida e controllo del robot sia all’analisi delle scene in cui il robot compie al sua missione. Aitek ricerca partnership per lo sviluppo del prodotto completo.

SI Aitek è interessata a partecipare sia a programmi di ricerca in ambito Italiano che Europeo con preferenza per il 7 Programma Quadro

Robotica mobile sul mercato della Sicurezza Miglioramento prodotti AiVu (Aitek) e in particolare dei moduli VCA (Video Content Analysis)

Ampliamento dell’offerta sul mercato della sicurezza con una possibile crescita del 15% del fatturato relativo al mercato. Introduzione in azienda di una figura tecnica dedicata e ½ figura commerciale.

Applicazione nell’ambito dei sistemi ITS (intelligent transport System)

1/2 anno 1,5 anni max 1 anno dal termine dello sviluppo del prototipo

http://www.aitek.it/

AITEK S.p.A. Fabrizio Ferrari ferrari@aitek.it

Aitek ha sviluppato un sistema per il controllo e la misura dell’interdistanza all’interno dei Tunnel. Il sistema è stato sottoposto a brevetto internazionale PCT/IT2006/000796 del 15/11/2006 Aitek è interessata allo sviluppo un sistema meccanico in grado di installare e mantenere delle telecamere senza dover fermare il traffico od

SI Aitek è interessata a partecipare sia a programmi di ricerca in ambito Italiano che Europeo con preferenza per il 7 Programma Quadro

Sicurezza Tunnel Mercato di dimensioni ridotte ma al momento privo di concorrenza Aitek prevede un incremento occupazionale didue risorse tecniche.

½ anno ½ anno ½ anno dal prototipo

http://www.aitek.it/

364

utilizzare carri ponti.

ERXA Marco Ricci Utilizzo sicuro di tecnologie wireless nella progettazione e realizzazione di impianti robotizzati complessi. Comunicazioni tra controllori robot in modo da aumentare la flessibilità dei sistemi e la diminuzione dei costi. Integrazione di reti wireless di sensori. Integrazione di sistemi di interfaccia wireles ed evoluti (quali sistemi aptici)

si Progettazione e realizzazione di sistemi robotizzati complessi.

Aumento del mercato delle applicazioni di robotica nelle PMI ed in settori diversi dall’automobilistico. Aumento delle applicazioni.

6 mesi 2 anni http://www.erxa.it/index.htm?lang=IT

Graal Tech Srl Via Opera Pia 13 C/O DIST –Universitá di Genova 16145 –Genova

Tommaso Bozzo tommaso.bozzo@graaltech.it

Veicoli autonomi per ambiente marino/sottomarino, operanti in aree costiere. I veicoli devono avere un costo sufficientemente basso da permetterne l’utilizzo in squadra, inoltre devono essere facilmente riconfigurabili in termini di payload per consentirne

Graal Tech è disponibile a partecipare a progetti di ricerca, anche con autofinanziamento. Operando già nel settore risulta determinante la protezione degli IPR.

Sicurezza Monitoraggio ambientale Ispezione Oceanografia

Graal Tech prevede la possibilità di realizzare classi di veicoli che le permetterebbero di rafforzare il proprio positioning sul mercato delle tecnologie marine, con un conseguente aumento di fatturato.

Servizi di monitoraggio Affitto dei veicoli Raccolta dati per conto terzi

6 mesi 6 mesi 1 anno http://www.graaltech.it/

365

l’utilizzo in diversi campi applicativi.

KUKA Roboter Italia S.p.A. Gian Luca Branca

Visione 3D per guida robot

Sì, con modalità da verificare

Scarico particolari meccanici da contenitore con estrazione random

Aumento possibilità di applicazione settore metalmeccanico 6 mesi 6 mesi ASAP

http://www.kuka.com/italy/it/

Kuka Roboter Italia Spa Via Pavia, 9A10098 Rivoli (TO)

Alberto Pellero apellero@kuka.it Mobile: +39 335 8483219

riduzione dei tempi di programmazione dei robot (auto apprendimento dei percorsi) robot industriali operanti su piattaforme mobili incrementare le performance degli attuali modelli ecc.

Sì, possiamo mettere a disposizione hardware e software, e Ingegneria per la programmazione e la progettazione elettrica/meccanica.

manipolazione, carico/scarico macchine visione intelligente lavorazioni meccaniche

La possibilità di ridurre i tempi di programmazione, specie per aziende terziste, rappresenterebbe un grosso passo verso una maggiore automazione. Analogamente la possibilità di avere robot mobili su piattaforme (anche Kuka attualmente sta sviluppando qualcosa in merito) sarebbe interessante, ad esempio nel settore Aeronautico. Difficile prevedere quantitativamente le ricadute.

Chirurgia, Farmaceutica, Elettronica.

1 anno 1 anno 1 anno http://www.kuka.it/

366

OTO Melara Pierciro Steardo Piatteforme; Moduli di Guida, Navigazione e Controllo;

Si Missioni di tipo RISTA (Reconnaissance, Intelligence, Surveillance, Target Acquisition), NBCR (Nucleare, Biologico, Chimico,Radiologico), Rescue Robotic per Home Land Security

Il core business aziendale sono i prodotti per la Difesa. Nell’ambito della veicolistica militare, l’interesse del Cliente si sta indirizzando verso nuove soluzioni robotiche, allo scopo di impiegare macchine anziché vite umane nelle missioni più rischiose di controllo del territorio. E’ interesse, quindi, di OTO Melara sviluppare e realizzare sia i UGV (Unmanned Ground Vehicle) innovativi di varia taglia ruotati e cingolati, sia UAV (Unmanned Aerial Vehicle) di piccole dimensioni

Prodotti in supporto alle forze di Protezione Civile

< 2009 < Dicembre 2009 < Giugno 2010 http://www.otomelara.it/

SiraLab Robotics s.r.l.

Ing. Giorgio Belloni, giorgio.belloni@siralab.com

Tecnologie elettroniche ed automatiche per il volo autonomo di velivoli senza pilota (inferiori ai 10 Kg a pieno carico). Postprocessamento di immagini video ed infrarosso Altre tecnologieaviotroniche (www.siralab.com)

Disponibilità a partecipare a progetti di aviotronica, progetti inerenti il volo automatico, progetti relativi all'uso di velivoli robotizzati per monitoraggio ambientale progetti di robotica in genere

Monitoraggio ambientale, monitoraggio forestale ed antincendio, monitoraggio urbanistico, sicurezza nazionale,ogni altra applicazione civile che possa trarre vantaggio da sorveglianza aerea.

L'azienda è in fase di costituzione. L'iter verrà completato entro la metà del mese di febbraio 2007. Ricadute previste sono in termini di ampliamento del mercato sia qualitativo (nuovi settori applicativi) che quantitativi (nuove aree geografiche).

I prodotti, direttamente o come ricaduta commerciale, sono di interesse sia nel settore della pubblicità che nel settore del modellismo aereo.

Max 6/12 mesi Max 12/18 mesi Max 18/22 mesi http://www.siralab.com/index.php?option=com_frontpage&Itemid=1

367

PMI Italiane ed industrie roboticheAzienda Contact Person Tecnologia da

sviluppare/migliorare

Disponibilità a partecipare ad un progetto di

ricerca

Applicazioni Ricadute previste sul

mercato dell’Azienda

Applicazioni su mercati diversi

Tempistica per lo studio

Tempistica per lo sviluppo

Tempistica per l’ingegnerizzazio

ne

Link

AITEK S.p.A. Fabrizio Ferrari ferrari@aitek.it

Sistemi di controllo di movimentazione container in ambito portuale.Aitek sta studiando un sistema complesso ingrado di controllo sbarco, imbarco e transito su gomma dei container all’interno di un terminal portuale. Il progetto, pur non costituendo un sistema robotica vero e proprio, coinvolge numerose tecnologie direttamente collegate alla robotica. Aitek copreautonomamente le componenti informatiche e di elaborazione immagini ma sta cercando partner con competenze elettro meccaniche e robotica in grado di studiare e realizzare le infrastrutture necessarie.

SI Aitek è interessata a partecipare sia a programmi di ricerca in ambito Italiano che Europeo con preferenza per il 7 Programma Quadro

Ambito portuale o aree di scambio container dove sia necessario tracciare le movimentazioni sia per ragioni gestionali che di sicurezza (normative internazionali).

Progetto con alta percentuale di rischio ma con un mercato potenziale molto alto che potrebbe portare allo sviluppo di un società dedicata alla sua penetrazione.

Applicazione nell’ambito dei sistemi ITS (intelligent transport System)

1 anno 2 anni max 1 anno dal prototipo

http://www.aitek.it/

368

AITEK S.p.A. Fabrizio Ferrari ferrari@aitek.it

Miglioramento della tecnologica Retinica: sensori visivi a risoluzione spazio variante. La tecnologiaRetinica è una tecnologia coperta da brevetto Aitek sia in Europa che in USA. Retina II EP 99203202 Retina II US 09675095

SI Aitek è interessata a partecipare sia a programmi di ricerca in ambito Italiano che Europeo con preferenza per il 7 Programma Quadro

Tutte le applicazioni in cui vengono coinvolti sensori di tipo visivo sia per applicazioni industriali sia robotiche.

Progetto che richiede molti investimenti ma che potrebbe portare allo sviluppo di un mercato molto ampio.

Controllo Industriale Militare AeroSpaziale Multimedia

½ anno ½ anno 1 anno dal prototipo

http://www.aitek.it/

AITEK S.p.A. Fabrizio Ferrari ferrari@aitek.it

Robot Mobile per applicazioni di Sicurezza Aitek è interessata a sviluppare/migliorare le tecnologie di visione applicate sia alla guida e controllo del robot sia all’analisi delle scene in cui il robot compie al sua missione. Aitek ricerca partnership per lo sviluppo del prodotto completo.

SI Aitek è interessata a partecipare sia a programmi di ricerca in ambito Italiano che Europeo con preferenza per il 7 Programma Quadro

Robotica mobile sul mercato della Sicurezza Miglioramento prodotti AiVu (Aitek) e in particolare dei moduli VCA (Video Content Analysis)

Ampliamento dell’offerta sul mercato della sicurezza con una possibile crescita del 15% del fatturato relativo al mercato. Introduzione in azienda di una figura tecnica dedicata e ½ figura commerciale.

Applicazione nell’ambito dei sistemi ITS (intelligent transport System)

1/2 anno 1,5 anni max 1 anno dal termine dello sviluppo del prototipo

http://www.aitek.it/

AITEK S.p.A. Fabrizio Ferrari ferrari@aitek.it

Aitek ha sviluppato un sistema per il controllo e la misura dell’interdistanza all’interno dei Tunnel. Il sistema è stato sottoposto a brevetto internazionale PCT/IT2006/000796 del 15/11/2006 Aitek è interessata allo sviluppo un sistema

SI Aitek è interessata a partecipare sia a programmi di ricerca in ambito Italiano che Europeo con preferenza per il7 Programma Quadro

Sicurezza Tunnel Mercato di dimensioni ridotte ma al momento privo di concorrenza Aitek prevede un incremento occupazionale di due risorse tecniche.

½ anno ½ anno ½ anno dal prototipo

http://www.aitek.it/

369

meccanico in grado di installare e mantenere delle telecamere senza dover fermare il traffico od utilizzare carri ponti.

ERXA Marco Ricci Utilizzo sicuro di tecnologie wireless nella progettazione e realizzazione di impianti robotizzati complessi. Comunicazioni tra controllori robot in modo da aumentare la flessibilità dei sistemi e la diminuzione dei costi. Integrazione di reti wireless di sensori. Integrazione di sistemi di interfaccia wireles ed evoluti (quali sistemi aptici)

si Progettazione e realizzazione di sistemi robotizzati complessi.

Aumento del mercato delle applicazioni di robotica nelle PMI ed in settori diversi dall’automobilistico. Aumento delle applicazioni.

6 mesi 2 anni http://www.erxa.it/index.htm?lang=IT

Graal Tech Srl Via Opera Pia 13 C/O DIST –Universitá di Genova 16145 –Genova

Tommaso Bozzo tommaso.bozzo@graaltech.it

Veicoli autonomi per ambiente marino/sottomarino, operanti in aree costiere. I veicoli devono avere un costo sufficientemente basso da permetterne l’utilizzo in squadra, inoltre devono essere facilmente riconfigurabili in termini di payload per consentirne

Graal Tech è disponibile a partecipare a progetti di ricerca, anche con autofinanziamento. Operando già nel settore risulta determinante la protezione degli IPR.

Sicurezza Monitoraggio ambientale Ispezione Oceanografia

Graal Tech prevede la possibilità di realizzare classi di veicoli che le permetterebbero di rafforzare il proprio positioning sul mercato delle tecnologie marine, con un conseguente aumento di fatturato.

Servizi dimonitoraggio Affitto dei veicoli Raccolta dati per conto terzi

6 mesi 6 mesi 1 anno http://www.graaltech.it/

370

l’utilizzo in diversi campi applicativi.

KUKA Roboter Italia S.p.A. Gian Luca Branca

Visione 3D per guida robot

Sì, con modalità da verificare

Scarico particolari meccanici da contenitore con estrazione random

Aumento possibilità di applicazione settore metalmeccanico 6 mesi 6 mesi ASAP

http://www.kuka.com/italy/it/

Kuka Roboter Italia Spa Via Pavia, 9A10098 Rivoli (TO)

Alberto Pellero apellero@kuka.it Mobile: +39 335 8483219

riduzione dei tempi di programmazione dei robot (auto apprendimento dei percorsi) robot industriali operanti su piattaforme mobili incrementare le performance degli attuali modelli ecc.

Sì, possiamo mettere a disposizione hardware e software, e Ingegneria per la programmazione e la progettazione elettrica/meccanica.

manipolazione, carico/scarico macchine visione intelligente lavorazioni meccaniche

La possibilità di ridurre i tempi di programmazione, specie per aziende terziste, rappresenterebbe un grosso passo verso una maggiore automazione. Analogamente la possibilità di avere robot mobili su piattaforme (anche Kuka attualmente sta sviluppando qualcosa in merito) sarebbe interessante, ad esempio nel settore Aeronautico. Difficile prevedere quantitativamente le ricadute.

Chirurgia, Farmaceutica, Elettronica.

1 anno 1 anno 1 anno http://www.kuka.it/

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OTO Melara Pierciro Steardo Piatteforme; Moduli di Guida, Navigazione e Controllo;

Si Missioni di tipo RISTA (Reconnaissance, Intelligence, Surveillance, Target Acquisition), NBCR (Nucleare, Biologico, Chimico,Radiologico), Rescue Robotic per Home Land Security

Il core business aziendale sono i prodotti per la Difesa. Nell’ambito della veicolistica militare, l’interesse del Cliente si sta indirizzando verso nuove soluzioni robotiche, allo scopo di impiegare macchine anziché vite umane nelle missioni più rischiose di controllo del territorio. E’ interesse, quindi, di OTO Melara sviluppare e realizzare sia i UGV (Unmanned Ground Vehicle) innovativi di varia taglia ruotati e cingolati, sia UAV (Unmanned Aerial Vehicle) di piccole dimensioni

Prodotti in supporto alle forze di Protezione Civile

< 2009 < Dicembre 2009 < Giugno 2010 http://www.otomelara.it/

SiraLab Robotics s.r.l.

Ing. Giorgio Belloni, giorgio.belloni@siralab.com

Tecnologie elettroniche ed automatiche per il volo autonomo di velivoli senza pilota (inferiori ai 10 Kg a pieno carico). Postprocessamento di immagini video ed infrarosso Altre tecnologie aviotroniche (www.siralab.com)

Disponibilità a partecipare a progetti di aviotronica, progetti inerenti il volo automatico, progetti relativi all'uso di velivoli robotizzati per monitoraggio ambientale progetti di robotica in genere

Monitoraggio ambientale, monitoraggio forestale ed antincendio, monitoraggio urbanistico, sicurezza nazionale,ogni altra applicazione civile che possa trarre vantaggio da sorveglianza aerea.

L'azienda è in fase di costituzione. L'iter verrà completato entro la metà del mese di febbraio 2007. Ricadute previste sono in termini di ampliamento del mercato sia qualitativo (nuovi settori applicativi) che quantitativi (nuove aree geografiche).

I prodotti, direttamente o come ricaduta commerciale, sono di interesse sia nel settore della pubblicità che nel settore del modellismo aereo.

Max 6/12 mesi Max 12/18 mesi Max 18/22 mesi http://www.siralab.com/index.php?option=com_frontpage&Itemid=1

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Appendice VIIIFisica del motore Browniano base dei nanorobot

373

La fisica dei motori Browniani base dei nanomotori

Come si è già accennato nel testo il primo nanorobot è stato creato all’università di New York nel 2004 formato da alcuni pezzi di DNA che si muovono su di una traccia di DNA.Nella figura seguente viene mostrato il sistema prodotto negli Stati Uniti che si basa, in pratica, sul sistema individuato come base anche della contrazione muscolare :”Il Motore Browniano”.

Per le persone lontane dalla Biomeccanica bisogna ricordare che alcuni recentissimi esperimenti svolti su scala mondiale, cioè ripetuti in diversi paesi avanzati, hanno studiato in modo più approfondito, con l’utilizzo di un indicatore fluorescente, il movimento della testa della miosina lungo un filamento di actina.Le risultanze sono state davvero sorprendenti infatti nei modelli classici la testa della molecola di miosina si muoveva in modo deterministico, controllando in maniera univoca un comando on-off.della contrazione muscolare.In realtà queste nuove ricerche indicano che la miosina si muove usando sia l’energia termica sia l’energia conservata nell’ATP per muoversi lungo l’actina e questo movimento avviene per step che possono variare di lunghezza partendo da 5.5 fino a raggiungere i 27.5 nanometri.Occasionalmente la miosina si muove anche all’indietro, ovvero la direzione globale del movimento è in avanti, ma queste ricerche hanno sottolineato la limitazione dei modelli precedenti, i quali consideravano solo il movimento deterministico della miosina in avanti.La spiegazione di queste nuove risultanze sperimentali è che ci si trova in presenza di un meccanismo naturale solo recentissimamente individuato, capito e spiegato, quello dei così detti “Motori Browniani” che sono stati poi individuati in molte proteine.La fisica è nel contempo riuscita non solo a modellare matematicamente il comportamento di questi motori Browniani, ma persino a riprodurli , come si è visto in nanorobotica.Il fenomeno è in sintesi quello delle particelle Browniane attive che si muovono, non solo passivamente tra le molecole in agitazione termica , come nel moto Browniano classico, ma grazie a dei potenziali così detti di rettilineazione, esse compiono moti attivi quasi deterministici sfruttando, in modo selettivo attraverso i potenziali, i moti incoerenti dell’agitazione termica.Questi motori sfruttando appunto il moto Browniano delle molecole, generato dall’agitazione termica del corpo, frequentemente richiedono un’ energia minore di quella dei motori convenzionali

374

usati a livello macroscopico, mostrando un’efficienza di funzionamento molto superiore al classico 25-30% , tanto da sfiorare il così detto “Moto Perpetuo”.Il funzionamento di codesti motori Browniani è ben descritto dal modello di motore di Feynman mostrato nella figura successiva.La possibilità di rettilineare il moto è dovuta alla differenza di temperatura dei due ambienti: se infatti T1 è = a T2 allora si è in presenza di moto Browniano classico ed il motore non ha un movimento preferenziale in una o nell’altra direzione,se invece T1 > T2 il motore si muove solo in senso antiorario, se invece T1<T2 allora sarà permesso solo il moto in senso orario.Questo modello di Feynman mostra semplicemente come una fluttuazione random, in condizioni di non equilibrio ed in presenza di una anisotropia del sistema, possa produrre un moto direzionale da un moto non direzionale.

matematicamente la velocità di rotazione ad esempio antioraria è data dalla relazione :)( 21 //)(

0TkTkL BBeVV dove V0 è la massima velocità di rotazione possibile ottenibile nel caso

in cui T1 → ∞ mentre T2 → 0.Nel campo della contrazione, la testa della miosina si muove appunto come detto sul filamento di actina essa comunque è soggetta all’agitazione termica delle molecole vicine.In termi matematici il moto di una particella passiva, che si muove di moto Browniano è retto dall’ equazione di Langevin:

vmain termini differenziali , cioè usando la notazione delle derivate temporali la stessa equazione può scriversi xxm

la particella si muoverà di moto Browniano passivo solo sotto la condizione che la forza esterna ξ abbia il valor medio nel tempo uguale a zero < ξ >= 0 , in questo caso infatti la particella non sarà sottoposta ad una spinta direzionale privilegiata e pertanto si genera il moto così Browniano prodotto dall’agitazione termica ( la forza esterna) delle molecole che circondano la particella. Per comprendere bene la meccanica del moto browniano di una particella, bisogna concepire che il suo moto anche a temperature ambientali è il frutto di un enorme numero di collisioni che hanno singolarmente un effetto trascurabile sulla posizione della particella, ed è solo la fluttuazione dell’accumulazione di un enorme numero di piccolissime variazioni nella velocità della particella che fornisce alla traiettoria la sua apparenza irregolare.Nel caso di un Motore Browniano, nella formula precedente deve considerarsi la presenza di un potenziale di indirizzo che aiuta la particella nella rottura delle simmetrie del suo moto permettendole così un moto direzionale.

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Possiamo allora scrivere: xtxVtxm ))(()(

che il potenziale sia periodico non lede la generalità della trattazione, mentre per le forze esterne valgono le note relazioni: ;0 )'()(2, tttT nel caso del moto della testa della miosina sul filamento di actina, le fluttuazioni statistiche sono rette da un’equazione di Langevin supersmorzata (valida per i mezzi altamente viscosi come i muscoli ) in cui il termine inerziale può considerarsi trascurabile per cui 0xm e l’equazione di langevin accordandosi alla meccanica Aristotelica descrive la forza agente proporzionale alla velocità: ))(( txVx ma il moto è ancora browniano perché vale la relazione:

0),('1

limlim000

dxrxP

Vdt

tt

xx

lt

tt

nonostante l’evidente asimmetria prodotta dal potenziale.Il moto, in definitiva, per il caso dei motori browniani molecolari è prodotto, sia dal ciclico alternarsi delle variazioni di temperatura ( la cui media è comunque zero) , sia dalla presenza del potenziale d’indirizzo, come mostrato chiaramente dalla seguente figura di Riemann che è anche ruscito a realizzarlo sperimentalmente in diverse condizioni nel 2002.

La cosa sconvolgente è che a causa di questi due contributi la particella si muove in media producendo lavoro positivo contro una forza esterna anche nulla, come mostrato sperimentalmente.

0::0 FperxIn effetti a livello molecolare uno sconvolgente motore rotante è presente nella sintesi dell’ATPase (l’enzima che usa il gradiente H per produrre l’ adenosintrifosfato ATP ) che ruota ad una velocità di circa 4 Hz per generare 3 molecole di ATP ogni rivoluzione.Nel caso della contrazione muscolare siamo in presenza invece di un motore lineare, se si vuole il primo che si avvicinò di più alla comprensione del sistema della contrazione actina –miosina è stato certamente Sir Andrew Huxley nel 1957

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attualmente si sa che i motori proteinici sono suddivisi in famiglie di similarità sequenziale ad esempio : miosinaV e miosina II si muovono sul filamento di actina e producono la contrazione muscolare, mentre chinesina e dienina trasportano carichi lungo i microtubuli.La miosina II agisce con un cosidetto un motore non processivo, ( cioè che non si sposta , figura b ) ma espleta la sua funzione quasi-statica, mediante connessioni alternate al filamento si actina con un meccanismo si/no .Il motore browniano agisce sulla rettificazione dell’agitazione termica a cui è sottoposta la testa della miosina II che fluttua liberamente, favorendo lo spostamento direzionale con un’ angolazione preferenziale della testa della miosina II che si lega al filamento di actina. Poiché il tempo di contatto della miosina II è piuttosto breve, essa per essere efficace, deve lavorare in gruppo per produrre una contrazione utile.Un motore Browniano, più utile per la nanorobotica e che si sposta per distanze notevoli prima di connettersi è detto motore processiv. A questa categoria appartengono la chinesina e la miosina V, la natura browniana del motore è la chiave di volta del suo spostamento direzionale, mentre il rumore termico di fondo è essenziale per permettere il superamento dei vari potenziali di attivazione.In queste molecole si verificano fenomeni affascinanti che possono essere già trattati a livello di formulazione matematica come, isteresi normale ed anomala, mobilità negativa, transizione di fase, comportamento oscillatorio, ecc.Senza entrare nei meccanismi specifici di spostamento che siembra si attuino anch’essi in quattro fasi, un motore di chinesina ( figura a) copre una distanza di qualche micrometro ( μm) , con una velocità di circa 1 μm/s ad una concentrazione di 10 mM di ATP prima di perdere il contatto con il filamento di microtubulo.Per cui un singolo motore di chinesina può compiere centinaia di contatti unidirezionali senza mai staccarsi dal microtubulo o scivolare liberamente su di esso muovendosi in modo processivo.Bisogna notare che le due teste della chinesina debbono coordinare la loro azione, ma non è ancora chiaro se una testa si muova singolarmente mentre l’altra è connessa o se si muovano alternativamente superandosi l’un laltra.Recentissimi esperimenti sviluppati da Hua alla fine del 2002 sembrano indicare questa seconda via. Un esempio di motore Browniano non processivo in quattro fasi per la miosina II è mostrato nella figura seguente.Ritornando dunque al motore della miosina II si può dire che la testa fluttua liberamente in una posizione x sottoposta a sollecitazioni Browniane.

La probabilità di distribuzione della testa della miosina ha un’andamento Gaussiano nel tempo.

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Quando la reazione chimica ha permesso alla miosina di accedere allo stato legato, a causa dell’asimmetria del potenziale essa priviligerà la posizione 1 ala posizione 4 in quanto il potenziale è più negativo e la connessione più stabile.La densità di probabilità di trovare la miosina nella posizione x nello stato D piuttosto che nello stato F al tempo t segue l’equazione di Fokker- Planck :

DFDD

FDFF

PxfPxgt

J

t

P

PxgPxft

J

t

P

)()(

)()(

la densità di probabilità di corrente prende in questo caso la forma generale:

PFVt

PTktxJ B )(

1),(

da cui si ricava facilmente , per un determinato carico

applicato alla fibra muscolare che la velocità di steady-state di accorciamento della fibra è descritta dall’equazione:

dxxJxJvd

DF 0

0 )()( in cui d rappresenta la periodicità del filamento d’actina.

Mentre il motore processivo della miosina V che si basa sul principio del “dente di Feynman” è da considerarsi un modello ottimale di sfruttamento energetico e quindi di efficienza che si deve cercare di riprodurre nei naorobot per ottenere i moti processivi che sono alla base di queste nuove tecnologie.

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