Lo sviluppo tecnologico dei materiali e della componentistica robotica ha permesso la costruzione, sensorizzazione e attuazione di una nuova generazione di robot manipolatori leggeri, cedevoli, sicuri, con elevata flessibilità e capacità di riconfigurazione nello spazio --i cosiddetti "soft robot". In parallelo, è stata sviluppata un'ampia modellistica cinematica e dinamica di tali dispositivi robotici, adatta, a seconda dei casi, in fase di progettazione e di simulazione oppure per il progetto di leggi di controllo del moto e dell'interazione con l'ambiente. In questa ricerca si intende anzitutto analizzare le proprietà rilevanti per il controllo di una classe di robot manipolatori soft, quella di strutture continue planari con profilo di curvatura costante a tratti, in presenza di attuazione completa o in caso di sotto-attuazione. Ispirandosi a risultati di controllo consolidati nel caso di robot con bracci flessibili o con elasticità concentrata ai giunti (sistemi meccanici che hanno entrambi meno comandi che coordinate generalizzate), si studierà la natura degli stati di equilibrio dei manipolatori soft e il progetto di leggi di controllo che garantiscano la stabilizzazione globale ad una configurazione ammissibile desiderata, in assenza o in presenza di gravità. Una caratteristica necessaria di tali leggi deve essere quella di raggiungere gli obiettivi di controllo preservando tuttavia quanto più possibile la dinamica cedevole del sistema, motivo stesso della sua progettazione meccanica.
La ricerca si propone di estendere alla nuova classe di soft robot continui alcuni risultati di controllo dinamico sviluppati per robot con bracci flessibili e/o con giunti elastici che sono patrimonio del nostro gruppo di ricerca. Si ritiene che l'impatto rispetto allo stato dell'arte possa essere notevole in quanto la considerazione della dinamica di tali sistemi robotici è ancora limitata, specialmente nel progetto di leggi di controllo, mentre l'analisi di leggi di controllo per strutture robotiche soft sotto-attuate è pressoché assente. Viceversa, le leggi di controllo che si intende progettare avranno dimostrazioni formali di convergenza e se ne verificheranno le prestazioni con un'ampia campagna di simulazione. E' prevista anche una possibile verifica sperimentale su prototipi disponibili presso alcuni nostri partner di ricerca (TU Delft, Università di Pisa).
Gli aspetti più innovativi della ricerca proposta sono quindi i seguenti:
- Il progetto e la verifica di leggi di controllo per strutture robotiche soft continue che siano in grado di stabilizzare globalmente una desiderata configurazione di equilibrio in assenza di completa attuazione (T1-T3). Questi risultati sono del tutto assenti in letteratura. Possono fornire una guida nella progettazione di soft robot con attuazione minimalista, come pure intervenire nel caso di guasto di uno o più degli attuatori distribuiti nella struttura, mantenendone la funzionalità.
- Le tematiche (T4-T5) introducono un approccio sistemistico al controllo di soft robot continui. Evidenziano infatti la possibilità di definire coppie alternative di grandezze ingresso-uscita che realizzano il compito desiderato. Nel caso di studio di un manipolatore soft planare, è immaginabile ad esempio ridurre l'attuazione a due soli comandi indipendenti se l'obiettivo è la regolazione della posizione di un unico punto (tipicamente quello terminale) della struttura. In tale contesto è fondamentale mostrare che la dinamica interna residua (la dinamica zero studiata in T1) rimanga limitata. Questi risultati non sono ancora dimostrati e non fanno quindi parte dello stato dell'arte nel controllo di soft robot continui.
- La capacità di riconoscere contatti e collisioni, e quindi di reagire automaticamente agli stessi, senza la necessità di aggiungere sensori dedicati alla struttura robotica (T6). L'idea innovativa è di sfruttare la cedevolezza intrinseca della struttura a tal fine. L'impiego pratico notevole, soprattutto in presenza di compiti di moto in ambienti non strutturati.
- Infine, da un punto di vista metodologico, si ritiene importante la disseminazione di concetti e risultati che appaiono consolidati nell'ambito dell'Automatica e del controllo nella Robotica più tradizionale, ma che sono ancora poco conosciuti dalla variegata comunità scientifica che si interessa di soft robot continui e delle loro applicazioni. Il concetto di dinamica zero e la criticità dell'inversione di sistemi dinamici a fase non minima può ad esempio spiegare alcuni fenomeni di instabilità che si sono presentati in alcune applicazioni.