Stato dell'arte della progettazione automatica di programmi per robot

La comprensione delle proprietà e delle meccaniche di funzionamento dei sistemi complessi e dinamici che ci circondano è uno degli obiettivi principali delle discipline ingegneristiche e scientifiche. Lo sviluppo nel campo dell'Intelligenza Artificiale ha permesso la creazione di entità robotiche sempre più intelligenti, in grado di manifestare comportamenti notevoli e di raggiungere gli obiettivi prefissati: la progettazione di software di controllo ha velocemente ricevuto una crescente responsabilità. Questo elaborato si propone di inquadrare in generale la situazione della progettazione di software di controllo robotici, focalizzandosi in particolare sulle tecniche di progettazione automatica di programmi per robot: dopo aver inquadrato il background su cui si basa la progettazione automatica ed aver mostrato una panoramica dei principali metodi di progettazione diretta, vengono elencate e spiegate le tecniche più utilizzate ed interessanti della progettazione automatica di programmi per robot.

Applicazione del linguaggio ad agenti Jason per la programmazione di alto livello di robot

I sistemi software rivestono nel campo dell'informatica un ruolo di fondamentale importanza. Negli ultimi anni una caratteristica richiesta ai sistemi è la decentralizzazione del controllo, nell'ottica di un sistema visto come connessioni di parti che possono interagire, e dove ciascuna parte possiede un certo grado di autonomia nella scelta delle attività che devono essere compiute. In tale contesto si introduce il paradigma degli agenti, in quanto include sia aspetti relativi ai modelli computazionali, sia aspetti relativi ai linguaggi. Nella tesi si esplora l'applicazione del linguaggio di programmazione Jason applicato alla programmazione dei controllori di robot. In particolare, si esplora ciò che riguarda il comportamento individuale dell'agente.

Extracting FSA descriptions of robot behaviours from the dynamics of automatically designed controller networks

Automatic design has become a common approach to evolve complex networks, such as artificial neural networks (ANNs) and random boolean networks (RBNs), and many evolutionary setups have been discussed to increase the efficiency of this process. However networks evolved in this way have few limitations that should not be overlooked. One of these limitations is the black-box problem that refers to the impossibility to analyze internal behaviour of complex networks in an efficient and meaningful way. The aim of this study is to develop a methodology that make it possible to extract finite-state automata (FSAs) descriptions of robot behaviours from the dynamics of automatically designed complex controller networks. These FSAs unlike complex networks from which they're extracted are both readable and editable thus making the resulting designs much more valuable.

Tesi sperimentale per valutare l'esperienza chirurgica nell'uso del robot Da Vinci Si

Questa tesi si compone di due parti tra loro correlate. Nella prima viene analizzato l’attuale stato dell’arte in ambito di robot chirurgici e, successivamente, sono illustrate le caratteristiche tecniche e funzionali del robot chirurgico Da Vinci Si e ne viene evidenziata la mancanza di sensori in grado di fornire all’utilizzatore un feedback aptico. La seconda parte propone uno studio che ha lo scopo di dimostrare come l’esperienza del chirurgo riesca a sopperire alla mancanza di un sensore in grado di fornire un riscontro della forza impressa sugli strumenti nel campo operatorio. A questo proposito, vengono illustrati i risultati del test appositamente costruito, cui è stato sottoposto un campione di chirurghi di diversi ambiti specialistici, per dimostrare come l’esperienza e la destrezza consentono all’utilizzatore del robot Da Vinci Si di ricevere un’indicazione della forza impressa sui tessuti del campo operatorio tramite un riscontro visivo.

Un’applicazione di elaborazione del linguaggio naturale per il gioco di "Indovina chi?" su robot umanoide

La tesi è stata incentrata sul gioco «Indovina chi?» per l’identificazione da parte del robot Nao di un personaggio tramite la sua descrizione. In particolare la descrizione avviene tramite domande e risposte L’obiettivo della tesi è la progettazione di un sistema in grado di capire ed elaborare dei dati comunicati usando un sottoinsieme del linguaggio naturale, estrapolarne le informazioni chiave e ottenere un riscontro con informazioni date in precedenza. Si è quindi programmato il robot Nao in modo che sia in grado di giocare una partita di «Indovina chi?» contro un umano comunicando tramite il linguaggio naturale. Sono state implementate regole di estrazione e categorizzazione per la comprensione del testo utilizzando Cogito, una tecnologia brevettata dall'azienda Expert System. In questo modo il robot è in grado di capire le risposte e rispondere alle domande formulate dall'umano mediante il linguaggio naturale. Per il riconoscimento vocale è stata utilizzata l'API di Google e PyAudio per l'utilizzo del microfono. Il programma è stato implementato in Python e i dati dei personaggi sono memorizzati in un database che viene interrogato e modificato dal robot. L'algoritmo del gioco si basa su calcoli probabilistici di vittoria del robot e sulla scelta delle domande da proporre in base alle risposte precedentemente ricevute dall'umano. Le regole semantiche realizzate danno la possibilità al giocatore di formulare frasi utilizzando il linguaggio naturale, inoltre il robot è in grado di distinguere le informazioni che riguardano il personaggio da indovinare senza farsi ingannare. La percentuale di vittoria del robot ottenuta giocando 20 partite è stata del 50%. Il data base è stato sviluppato in modo da poter realizzare un identikit completo di una persona, oltre a quello dei personaggi del gioco. È quindi possibile ampliare il progetto per altri scopi, oltre a quello del gioco, nel campo dell'identificazione.

Installazione del navigation stack su rover terrestre e applicazione del kinect nello human-robot interaction.

Progetto SHERPA. Installazione e configurazione del Navigaton Stack su Rover terrestre. Utilizzo e configurazione di LMS151 Sick. Utilizzo e configurazione di Asus Xtion Pro. Progettazione di software per la localizzazione e l'inseguimento di persone tramite camera di profondita.

Analysis of robot dynamics through complexity measures: an application in automatic design

L'applicazione di misure, derivanti dalla teoria dell'informazione, fornisce un valido strumento per quantificare alcune delle proprietà dei sistemi complessi. Le stesse misure possono essere utilizzate in robotica per favorire l'analisi e la sintesi di sistemi di controllo per robot. In questa tesi si è analizzata la correlazione tra alcune misure di complessità e la capacità dei robot di portare a termine, con successo, tre differenti task. I risultati ottenuti suggeriscono che tali misure di complessità rappresentano uno strumento promettente anche nel campo della robotica, ma che il loro utilizzo può diventare difficoltoso quando applicate a task compositi.

Retraining of interjoint arm coordination after stroke using robot-assisted time-independent functional training

We have developed a haptic-based approach for retraining of interjoint coordination following stroke called time-independent functional training (TIFT) and implemented this mode in the ARMin III robotic exoskeleton. The ARMin III robot was developed by Drs. Robert Riener and Tobias Nef at the Swiss Federal Institute of Technology Zurich (Eidgenossische Technische Hochschule Zurich, or ETH Zurich), in Zurich, Switzerland. In the TIFT mode, the robot maintains arm movements within the proper kinematic trajectory via haptic walls at each joint. These arm movements focus training of interjoint coordination with highly intuitive real-time feedback of performance; arm movements advance within the trajectory only if their movement coordination is correct. In initial testing, 37 nondisabled subjects received a single session of learning of a complex pattern. Subjects were randomized to TIFT or visual demonstration or moved along with the robot as it moved though the pattern (time-dependent [TD] training). We examined visual demonstration to separate the effects of action observation on motor learning from the effects of the two haptic guidance methods. During these training trials, TIFT subjects reduced error and interaction forces between the robot and arm, while TD subject performance did not change. All groups showed significant learning of the trajectory during unassisted recall trials, but we observed no difference in learning between groups, possibly because this learning task is dominated by vision. Further testing in stroke populations is warranted.

A self-developed and constructed robot for minimally invasive cochlear implantation

Conclusion: A robot built specifically for stereotactic cochlear implantation provides equal or better accuracy levels together with a better integration into a clinical environment, when compared to existing approaches based on industrial robots. Objectives: To evaluate the technical accuracy of a robotic system developed specifically for lateral skull base surgery in an experimental setup reflecting the intended clinical application. The invasiveness of cochlear electrode implantation procedures may be reduced by replacing the traditional mastoidectomy with a small tunnel slightly larger in diameter than the electrode itself. Methods: The end-to-end accuracy of the robot system and associated image-guided procedure was evaluated on 15 temporal bones of whole head cadaver specimens. The main components of the procedure were as follows: reference screw placement, cone beam CT scan, computer-aided planning, pair-point matching of the surgical plan, robotic drilling of the direct access tunnel, and post-operative cone beam CT scan and accuracy assessment. Results: The mean accuracy at the target point (round window) was 0.56 ± 41 mm with an angular misalignment of 0.88 ± 0.41°. The procedural time of the registration process through the completion of the drilling procedure was 25 ± 11 min. The robot was fully operational in a clinical environment.

DEVELOPMENT OF A HUMANOID ROBOT ARM FOR USE IN URBAN ENVIRONMENTS

The Bucknell Humanoid Robot Arm project was developed in order toprovide a lightweight robotic arm for the IHMC / Bucknell University bipedal robot that will provide a means of manipulation and facilitate operations in urban environments. The resulting fabricated arm described in this thesis weighs only 13 pounds, and is capable of holding 11 pounds fully outstretched, lifting objects such as tools, and it can open doors. It is also capable of being easily integrated with the IHMC / Bucknell University biped. This thesis provides an introduction to robots themselves, discusses the goals of the Bucknell Humanoid Robot Arm project, provides a background on some of the existing robots, and shows how the Bucknell Humanoid Robot Arm fits in with the studies that have been completed. After reading these studies, important items such as design trees and operational scenarios were completed. The completion of these items led to measurable specifications and later the design requirements and specifications. A significant contribution of this thesis to the robotics discipline involves the design of the actuator itself. The arm uses of individual, lightweight, compactly designed actuators to achieve desired capabilities and performance requirements. Many iterations were completed to get to the final design of each actuator. After completing the actuators, the design of the intermediate links and brackets was finalized. Completion of the design led to the development of a complex controls system which used a combination of Clanguage and Java.

ANKLE IMPEDANCE AND ANKLE ANGLES DURING STEP TURN AND STRAIGHT WALK: IMPLICATIONS FOR THE DESIGN OF A STEERABLE ANKLE-FOOT PROSTHETIC ROBOT

During locomotion, turning is a common and recurring event which is largely neglected in the current state-of-the-art ankle-foot prostheses, forcing amputees to use different steering mechanisms for turning, compared to non-amputees. A better understanding of the complexities surrounding lower limb prostheses will lead to increased health and well-being of amputees. The aim of this research is to develop a steerable ankle-foot prosthesis that mimics the human ankle mechanical properties. Experiments were developed to estimate the mechanical impedance of the ankle and the ankles angles during straight walk and step turn. Next, this information was used in the design of a prototype, powered steerable ankle-foot prosthesis with two controllable degrees of freedom. One of the possible approaches in design of the prosthetic robots is to use the human joints’ parameters, especially their impedance. A series of experiments were conducted to estimate the stochastic mechanical impedance of the human ankle when muscles were fully relaxed and co-contracting antagonistically. A rehabilitation robot for the ankle, Anklebot, was employed to provide torque perturbations to the ankle. The experiments were performed in two different configurations, one with relaxed muscles, and one with 10% of maximum voluntary contraction (MVC). Surface electromyography (sEMG) was used to monitor muscle activation levels and these sEMG signals were displayed to subjects who attempted to maintain them constant. Time histories of ankle torques and angles in the lateral/medial (LM) directions, inversion-eversion (IE), and dorsiflexionplantarflexion (DP) were recorded. Linear time-invariant transfer functions between the measured torques and angles were estimated providing an estimate of ankle mechanical impedance. High coherence was observed over a frequency range up to 30 Hz. The main effect of muscle activation was to increase the magnitude of ankle mechanical impedance in all degrees of freedom of the ankle. Another experiment compared the three-dimensional angles of the ankle during step turn and straight walking. These angles were measured to be used for developing the control strategy of the ankle-foot prosthesis. An infrared camera system was used to track the trajectories and angles of the foot and leg. The combined phases of heel strike and loading response, mid stance, and terminal stance and pre-swing were determined and used to measure the average angles at each combined phase. The Range of motion (ROM) in IE increased during turning while ML rotation decreased and DP changed the least. During the turning step, ankle displacement in DP started with similar angles to straight walk and progressively showed less plantarflexion. In IE, the ankle showed increased inversion leaning the body toward the inside of the turn. ML rotation initiated with an increased medial rotation during the step turn relative to the straight walk transitioning to increased lateral rotation at the toe off. A prototype ankle-foot prosthesis capable of controlling both DP and IE using a cable driven mechanism was developed and assessed as part of a feasibility study. The design is capable of reproducing the angles required for straight walk and step turn; generates 712N of lifting force in plantarflexion, and shows passive stiffness comparable to a nonload bearing ankle impedance. To evaluate the performance of the ankle-foot prosthesis, a circular treadmill was developed to mimic human gait during steering. Preliminary results show that the device can appropriately simulate human gait with loading and unloading the ankle joint during the gait in circular paths.