Robotica sottomarina:
il progetto AMADEUS

La manipolazione robotica sottomarina

I robot sottomarini sono macchine intelligenti destinate ad operare nell'ambiente sottomarino e devono possedere la capacità di percepire l'ambiente ed interagire con esso al fine di compiere lavori utili all'uomo. Nonostante questi robot non debbano necessariamente essere antropomorfi, ma piuttosto soddisfare in modo industrialmente semplice ed economicamente vantaggioso i requisiti di progetto, in molti casi dovranno essere dotati di appendici mobili, in grado di eseguire operazioni tecniche con l'uso di opportuni utensili oppure di vere e proprie braccia dotate di manipolatori.

Logo del progetto AMADEUS

EC-DG12 - Programma MAST Marine Science and Technology Progetto EC MAS3CT950024 AMADEUS Advanced MAnipulation for DEep Underwater Sampling Durata: 1 Aprile 1996 - 30 Settembre 1999 Finanziamento totale: 2.059.600 ECU Consorzio: HWU-CEE, Ocean System Laboratory, Department of Computing and Electrical Engineering, Heriot - Watt University, Edinburgh, UK (Project Leader) HWU-MCE, Department of Mechanical and Chemical Engineering, Heriot-Watt University, Edinburgh, UK UNIGE-DIST, Dipartimento di Informatica Sistemistica e Telematica, Università di Genova, IT CNR-IAN, Reparto Robotica, Istituto Automazione Navale, Genova, IT UB, Dipartimento di Geologia, Geofisica e Paleontologia, Universidad de Barcelona, SP IMBC, Institute of Marine Biology of Crete, GR

Malgrado la buona efficienza, gli utensili specializzati soffrono di una ridotta flessibilità operativa, poiché è necessario smontare e rimontare l'attrezzatura ogni qualvolta si debba cambiare il tipo di operazione. Sono pertanto adatti all'esecuzione di compiti industriali pesanti e ripetitivi, ma non sono in grado di interagire in modo flessibile con l'ambiente e di affrontare con successo situazioni impreviste o imprevedibili. Per questo motivo in molti settori si sente la necessità di braccia robotiche general-purpose che, al pari delle braccia e delle mani dell'uomo, sappiano compiere una vasta serie di operazioni con precisione e destrezza.

Il panorama industriale vede attualmente la presenza di un discreto numero di braccia robotiche sottomarine ma, a differenza di quanto avviene nel settore della robotica industriale, si tratta di sistemi idraulici anziché elettrici.Ciò è principalmente dovuto alla maggior potenza e resistenza dei sistemi idraulici ed alla difficoltà di realizzare a costi contenuti braccia elettromeccaniche in grado di operare nell'ambiente sottomarino.

Tali unità hanno però uno spazio di lavoro limitato e disomogeneo, a causa del ridotto numero di gradi di libertà e dei vincoli meccanici dei meccanismi idraulici. Inoltre, è difficile realizzare sistemi di controllo in grado di regolare con precisione sia la traiettoria del manipolatore sia la forza applicata agli oggetti. Tali caratteristiche li rendono prevalentemente idonei ad un uso pesante sotto la guida manuale di un operatore umano, come attualmente avviene nella quasi totalità delle realizzazioni esistenti.

Fig. 2: test in piscina della cella robotica impegnata in una attività di manipolazione coordinata

Il progetto AMADEUS

L'obiettivo del progetto è lo sviluppo di sistemi di manipolazione sottomarina innovativi, caratterizzati da elevata destrezza e sensibilità, in grado di svolgere delicate operazioni nei settori della biologia e geologia marina, ma anche di trovare impiego nell'archeologia marina, nella protezione dell'ambiente e nell'off-shore, ogniqualvolta sia necessario eseguire operazioni di alta complessità in condizioni non strutturate o imprevedibili.

All'interno del progetto si sono pertanto sviluppate contemporaneamente più attività, volte ad esplorare, nell'ambito di un'architettura modulare, le varie tecnologie ed i molteplici problemi di controllo.

In particolare CNR-IAN (Istituto per l'Automazione Navale) e UNIGE-DIST (Dipartimento di Informatica Sistemistica e Telematica - Università di Genova) hanno congiuntamente sviluppato il prototipo di un'innovativa cella robotica sottomarina a due braccia elettromeccaniche cooperanti, costituita da un braccio destro, di proprietà CNR-IAN che ha curato l'architettura di calcolo, ed un braccio sinistro, di proprietà UNIGE-DIST che ha curato il sistema di controllo.

Il CNR-IAN ha, inoltre, sviluppato un'Interfaccia Uomo-Macchina in grado di comandare le operazioni a vari livelli, dal più semplice, ma più impegnativo per l'operatore, Modo Manuale, al più sofisticato, Modo Automatico, in cui l'operatore si preoccupa solo di che cosa fare, lasciando al Sistema di Controllo la responsabilità di come farlo.

Fig. 3: I componenti meccanici del braccio prima del montaggio

I partner scientifici hanno partecipato in qualità di rappresentanti degli utenti, in particolare nei settori della geologia marina e della biologia marina, contribuendo a determinare le specifiche dei vari prototipi ed avendo la responsabilità di determinare i profili di missione, da svolgere nel corso della fase sperimentale, e la valutazione finale del progetto.

La cella robotica

Poiché molte attività richiedono la capacità di operare a due mani, si è deciso di sviluppare una cella robotica costituita da due braccia elettromeccaniche a sette gradi di libertà, dotate di una pinza terminale. Questa configurazione consente di avere una cinematica ridondante, in grado di risolvere i problemi di singolarità geometriche che limitano le capacità di manipolazione, specialmente durante le operazioni coordinate a due braccia. La scelta di sviluppare un più costoso sistema di attuazione elettromeccanico è dovuta alla necessità di ottenere una grande precisione e controllabilità, indispensabile quando si operi su oggetti delicati.

Questa scelta ha limitato la forza massima del braccio, nella posizione più svantaggiosa, a 100N e la forza massima della pinza a 300N, inferiori a quelle di un analogo sistema idraulico, ma più che sufficienti alla maggior parte delle operazioni di precisione da svolgere nell'ambiente sottomarino.

Ogni braccio ha una lunghezza di 140 cm ed una massa di 65 kg ed è riempito d'olio, secondo la tecnologia PBOF (Pressure Balanced Oil Filled), al fine di consentire un'operatività fino alla profondità di 500 m. Ogni braccio è dotato di un sensore di forza/coppia, installato fra il polso e la pinza, e di un sistema modulare di sensorializzazione tattile della pinza, per permettere lo sviluppo di algoritmi di controllo ibrido di posizione/forza.

Il prototipo comprende, inoltre, il sistema di azionamento e controllo, l'interfaccia operatore ed il sistema di sviluppo software. La progettazione e il collaudo dei manipolatori (realizzati da ANSALDO - Divisione Nucleare), nonché lo sviluppo e il collaudo dell'architettura di controllo si sono svolti interamente a Genova.

L'attività sperimentale

Fig. 5: test funzionale del braccio e dell'architettura di controllo

Nel luglio 1998 è terminata la fase di progettazione, costruzione e collaudo delle braccia, del nucleo del sistema di controllo e dell'interfaccia uomo-macchina e il 29 luglio 1998, nel corso della Giornata Italiana presso l'EXPO '98 di Lisbona, è stato presentato il prototipo funzionante in aria, nel suo primo allestimento sperimentale.

Dopo una lunga fase di sviluppo e di messa a punto dell'intero sistema, mediante prove in aria ed in acqua, nel settembre 1999 si è svolta la sperimentazione finale del progetto, presso la vasca profonda dello stadio del nuoto, messa a disposizione dal Comune di Genova. Per tutta la durata delle prove è stato immerso nella piscina, alla profondità di 5 m, un traliccio di tubi di alluminio che sorreggeva le braccia ed il cilindro contenente l'architettura di controllo collegata, tramite un cavo coassiale, alla postazione di comando situata a bordo vasca. Nel corso delle prove è stato svolto con successo il programma che prevedeva alcune operazioni di manipolazione coordinata, rappresentative di una larga classe di attività tipiche nei settori della ricerca in mare.

In particolare, è stata afferrata ai due estremi una lastra di vetro che è stata ruotata in tutte le posizioni e successivamente posata senza spezzarla, dimostrando la capacità di controllare con estrema precisione traiettorie complesse senza errori fatali per grandi oggetti fragili. Successivamente, è stata simulata l'operazione di campionamento di un oggetto lungo e fragile come una stalattite. A tal fine, è stato afferrato in due punti un provino di plastica, ed è stato poi spezzato alla base, ruotando in modo coordinato le due pinze. Infine, è stata simulata l'operazione di connessione e sconnessione di un giunto meccanico o di un connettore elettrico mediante la precisa inserzione coassiale di un perno in un tubo.

L'interfaccia operatore

Qualunque sistema robotico necessita di un'interfaccia operatore in grado di consentire all'operatore umano di impartire i comandi al robot e percepire le informazioni che gli consentano di controllare le operazioni e verificare i risultati. Nel caso di Amadeus la Human Computer Interface (HCI) aveva anche il compito di consentire il progressivo sviluppo dei vari elementi del progetto attraverso le loro varie fasi. L'approccio seguito non è stato quindi, quello di progettare un prodotto aderente a certe capacità specifiche prefissate, ma quello di sviluppare, sulla base dei requisiti iniziali, un sistema aperto a successive modifiche, ampliamenti e aggiornamenti, in grado di essere, più che una consolle di pilotaggio di un prodotto finito, uno strumento di sviluppo hardware e software utile nel corso dell'intero progetto.

Per questo motivo la HCI è stata sviluppata su una piattaforma PC con sistema operativo Microsoft © Windows, in modo da poter essere facilmente replicata nei vari laboratori, ed è stata basata su una serie di processi indipendenti in grado di gestire le varie funzioni e scambiarsi le informazioni mediante la rete Ethernet, in maniera da renderne possibili successive espansioni anche su reti di PC. Questo ha permesso alla HCI di essere personalizzata in due versioni, una dedicata alla cella robotica genovese, un'altra utilizzata ad Edimburgo per i testi del sistema manipolatore-braccio idraulico.

Per l'input dei comandi sono stati utilizzati la tastiera, il mouse, un joystick standard e uno speciale space-mouse a 6 gradi di libertà. Per l'output sono state realizzate varie finestre sul monitor, dedicate alla visualizzazione dei dati della sessione in corso e ad una serie di animazioni grafiche tridimensionali. Ogni aspetto della HCI è ovviamente configurabile, ed è prevista sia la registrazione di tutti i dati (scatola nera) sia l'esecuzione di sequenze di comandi registrati (play-back).

Sono stati previsti tre modi di funzionamento, manuale, semi-automatico, automatico. Nel modo manuale l'operatore regola direttamente gli angoli ai giunti; in quello semi-automatico controlla la posizione e l'orientazione nello spazio delle pinze; in quello automatico può impartire ordini simbolici.

Fig. 6: schermata della Human Computer Interface per il pilotaggio della cella robotica sottomarina

L'architettura di controllo

La ricerca in questo settore si è concentrata sullo sviluppo di un sofisticato sistema di controllo e supervisione in grado di gestire la manipolazione coordinata delle due braccia al fine di compiere, in modo automatico, operazioni complesse a due mani. Per l'architettura di controllo è stata scelta una struttura gerarchica e modulare in grado di supportare lo sviluppo del sistema, attraverso le sue varie fasi, e di consentire il suo successivo utilizzo all'interno di sistemi a configurazione variabile. Per questo si è utilizzata una architettura a tre livelli in cui il livello più basso, direttamente interfacciato all'hardware, implementa il servocontrollo in velocità ai singoli giunti, mentre quello intermedio realizza un ciclo di controllo in posizione, con l'obiettivo di eseguire le azioni richieste. Il livello superiore interpreta i comandi ricevuti e scompone l'azione complessa richiesta in una successione di azioni elementari eseguite dinamicamente.

Dal punto di vista hardware è stata scelta un'architettura basata su PC per i livelli alti e su bus VME per i livelli bassi. Le comunicazioni fra tutti i livelli sono state realizzate mediante una rete locale Ethernet. Questo ha consentito un'elevata modularità del sistema, in quanto ogni braccio ha il suo controllore di basso livello, collegato ad un unico esemplare di controllore di medio livello, che realizza il controllo coordinato delle due braccia.

L'evoluzione futura del progetto prevede un ulteriore sviluppo dell'apparato sensoriale della cella robotica, per consentire una migliore percezione dell'interazione fisica con l'ambiente e, quindi, un miglior controllo, e un aumento dell'intelligenza del sistema, cioè la capacità di interagire a livello simbolico con l'operatore umano ed eseguire in modo autonomo le operazioni richieste. Nonostante vi sia ancora molto da fare, prima di poter portare questa tecnologia sul mercato a costi accettabili e con le necessarie caratteristiche di affidabilità, il successo del progetto Amadeus costituisce senza dubbio un importante passo avanti dello stato dell'arte nel settore della robotica sottomarina.