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Casella di testo: Mani Robotiche

 


 

 


Introduzione

 

Dare ai robot di nuova generazione organi di estremità capaci di competere con la mano umana in termini di funzionalità e aspetto è un obiettivo cui il mondo della ricerca si è ultimamente dedicato con rinnovato sforzo.

Questo settore della robotica è, attualmente, particolarmente attivo grazie al crescente interesse sia verso applicazioni nel campo delle protesi sia per la costruzione di dispositivi automatici che possano sia interfacciarsi con l’uomo (robot di servizio e robot domestici) sia sostituirlo in compiti di manipolazione ed esplorazione in ambienti ostili. Un possibile campo applicativo è quello delle attività spaziali, dove i robonauti potrebbero cooperare ed alternarsi con operatori umani in molti compiti di routine, ad esempio attività di servizio sulla stazione spaziale

Esempi di mani antropomorfe sono stati proposti fin dagli anni ‘80, e nel decennio successivo. A tale evoluzione ha contribuito anche il gruppo di lavoro del Diem ideando e costruendo presso i propri laboratori ben due mani artificiali la UBHand I (1988) e la UBHand II (1992) illustrate nelle foto che seguono.

 

 

UBHand I

 UBHand II

 

 

 

Negli ultimi venti anni sono stati raggiunti risultati funzionali a volte sorprendenti, ma alle mani robotiche di nuova generazione viene richiesto un salto qualitativo rispetto al passato, sia in termini di capacità funzionale (dexterity) che in termini di compatibilità applicativa, cioè di affidabilità, semplificazione costruttiva, basso costo, ingombro e peso ridotti, possibilità di operare in ambienti estremi.

Sono queste le aspirazioni e le sfide del programma di ricerca del gruppo di robotica, che si propone di prospettare e valutare approcci progettuali innovativi rispetto allo stato dell’arte, ponendo come obiettivi primari la semplificazione strutturale, l’incremento dell’affidabilità e la riduzione dei costi.

Nella prospettiva di un deciso miglioramento costruttivo e funzionale, lo sviluppo di strutture articolate di tipo endoscheletrico rivestite di materiali soffici, in analogia col modello biologico, appare una delle vie più promettenti per ottenere al tempo stesso miglioramento delle capacità operative e semplificazione strutturale.

Verso questo obiettivo è rivolto lo sviluppo di una nuova mano robotica, denominata U.B. Hand III, in corso di allestimento presso l’unità di ricerca DIEM-DEIS dell’Università di Bologna.

La figura che segue mostra l’aspetto generale di un dito e della mano in modellazione CAD.

 

 

Al fine di una vera semplificazione della struttura appare molto promettente ed affascinante l’ipotesi di realizzare le catene cinematiche costituenti le articolazioni della mano robotica adottando il concetto di “compliant mechanism”. Questo approccio consiste nell’ottenere la mobilità relativa tra i vari membri della struttura non tramite coppie cinematiche, ma sfruttando la deformazione di opportuni tratti cedevoli di collegamento.

L’adozione di una struttura cinematica basata sull’impiego di cerniere elastiche cedevoli comporta evidenti vantaggi sia costruttivi che tecnologici. Questa può trasformare un meccanismo con molte parti e coppie cinematiche in un’unica struttura con tratti a cedevolezza controllata, priva di giochi, di attriti ed esente da fenomeni di usura. Nel particolare campo applicativo dei dispositivi di presa antropomorfi, tra i principali benefici va tenuta in massima considerazione la riduzione degli ingombri e dei pesi, ma soprattutto l’incremento di affidabilità del sistema. Ciò, in particolare, deriva da due fattori: la riduzione del numero di componenti e la riduzione del pericolo di smontaggio dovuto a fenomeni di vibrazione. Inoltre, ipotizzando opportune tecnologie di costruzione, quali, ad esempio, lo stampaggio in materiale plastico, si ha la possibilità di ridurre notevolmente i costi di costruzione e di assemblaggio.

L’uso di “compliant mechanisms” in organi di presa robotica è stato, finora, ristretto a grippers per micro-manipolazioni e non si conoscono applicazioni per mani antropomorfe ad elevata destrezza. Si tratta, in ogni caso, di un concetto destinato, a parere di molti ricercatori, a notevoli sviluppi applicativi, contestualmente all’evoluzione di nuovi metodi di modellazione e controllo di strutture non necessariamente rigide e ripetibili come nella concezione tradizionale dei manipolatori robotici.

 

Nella figura in basso sono riportate delle foto di prototipi relativi a due differenti soluzioni progettuali per la realizzazione della struttura endoscheletrica articolata che costituirà il dito della UBHand III.

 

 

Una altro aspetto sicuramente innovativo del progetto UBHand III è l’introduzione di uno strato in materiale sintetico, allo scopo di riprodurre il ruolo dei tessuti cedevoli e dei polpastrelli della mano umana.

Ciò comporta indubbi benefici durante le fasi di manipolazione. In termini di stabilizzazione della presa si ottiene, infatti, un incremento delle superfici di contatto tra oggetto e manipolatore e si sfruttano le proprietà di smorzamento interno dei materiali impiegati.

Lo spessore di questo strato è maggiorato in prossimità dei polpastrelli mentre presenta opportuni alleggerimenti nelle articolazioni delle falangi. Si ottiene così la possibilità realizzare il moto delle articolazioni pur conservando la continuità del rivestimento esterno che, quindi, viene a svolge anche un ruolo di protezione di tutti gli organi interni alla mano (giunti, tendini, sensori, ecc…), riparandoli da agenti esterni quali polveri e liquidi.

 

Nelle figure in basso, sono riportate due fotografie di un primo esemplare di dito articolato a struttura endoscheletrica ricoperto con polpastrelli in materiale cedevole (gomma siliconica).

A destra è presentato un raffronto con il dito umano.

 

 

 

 

 

Possibili applicazioni industriali

 

L’approccio innovativo proposto dal gruppo di ricerca di robotica per la realizzazione di organi di presa antropomorfi rappresenta un effettivo passo avanti sull’applicabilità di mani robotiche in molti campi di interesse sociale ed industriale appunto perché riesce, forse per la prima volta in questo settore, a proporre un prodotto semplice, affidabile e soprattutto caratterizzato da bassi costi di produzione.

 

Alcuni aree di impiego possono essere:

 

§  applicazioni medicali (protesi)

§  laboratori di ricerca robotica

§  applicazioni per robot domestici e di servizio

§  applicazioni per robot operanti in ambienti ostili

§  applicazioni nell’ambito della ricerca spaziale (SSI)

§  entertainment

 

Data l’originalità e le potenzialità di applicazione l’Università di Bologna, nel giugno del 2003 ha presentato una domanda di Brevetto Italiano.

 

 

Nominativi di riferimento

 

Prof. Gabriele Vassura:

gabriele.vassura@mail.ing.unibo.it

Pagina web

Ing. Fabrizio Lotti:

fabrizio.lotti@mail.ing.unibo.it

 

Ing. Paolo Tiezzi:  

paolo.tiezzi@mail.ing.unibo.it

 

Ing. Andrea Zucchelli:

andrea.zucchelli@mail.ing.unibo.it      

Pagina web

 

 

 

 

 

 

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Titolo

Autori

 

Sviluppo di soluzioni innovative

per la struttura meccanica di dita articolate

per mani robotiche

Lotti, F.; Vassura, G.

XXXI Convegno Nazionale AIAS Associazione Italiana

per l’Analisi delle Sollecitazioni,

Parma, 18-21 Settembre 2002

Design Aspects

For Advanced Robot Hands

Biagiotti, L.; Lotti, F.; Melchiorri, C.; Vassura, G.

Tutorial: “Towards Intelligent Robotic Manipulation” at Intelligent Robots and System, 2002. IEEE/RSJ International Conference, 30 Sept.-5 Oct. 2002

A novel approach to mechanical design

of articulated fingers for robotic hands

Lotti, F.; Vassura, G

Intelligent Robots and System, 2002. IEEE/RSJ International Conference on , Volume: 2 , 30 Sept.-5 Oct. 2002 Page(s): 1687 -1692 vol.2

Mechanical Structures for Robotic Hands based on the

“Compliant Mechanism” Concept

Lotti, F.; Tiezzi, P.;

Vassura, G.; Zucchelli, A.

ASTRA Workshop,

 Nordwejik, NL, November 2002

Attrezzatura Per La Valutazione Sperimentale Di Polpastrelli Per Mani Robotiche

Tiezzi, P.; Lotti, F.;

Vassura G.

XXXII Convegno Nazionale AIAS Associazione Italiana

per l’Analisi delle Sollecitazioni,

Salerno, 3-6 Settembre 2003

An Integrated Approach To The Design

 Of Complex Robotic End-Effectors.

Biagiotti, L.; Lotti, F.; Melchiorri, C.; Vassura, G.

Advanced Intelligent Mechatronics, 2003. AIM 2003. Proceedings. 2003 IEEE/ASME International Conference on, Volume: 1 , July 20 - July 24, 2003

Mechatronic Design Of Innovative Fingers For Anthropomorphic Robot Hands

Biagiotti, L.; Lotti, F.; Melchiorri, C.; Vassura, G.

Robotics and Automation, 2003. Proceedings. ICRA '03. IEEE International Conference on , Volume: 3, Sept.14-19, 2003, Page(s): 3187 -3192

Polyurethane Gel Pulps For Robotic Fingers

Tiezzi, P.; Lotti, F.;

Vassura G.

Advanced Robotics, 2003. Proceeding. ICAR 2003. IEEE 11th International Conference on, Coimbra, Portugal, 2003.

New Directions On Robotic Hands Design

For Space Applications

Biagiotti, L.; Lotti, F.; Melchiorri, C.; Vassura, G.

Submitted to

 ACAF’04

International Conference

UBH 3: An Anthropomorphic Hand With

Simplified Endo-Skeletal Structure

And Soft Continuous Fingerpads

Lotti, F.; Tiezzi, P.;

Vassura, G.;

Biagiotti, L.;  Melchiorri, C.

Submitted to

 Robotics and Automation, 2003.

 ICRA '03. IEEE

International Conference

 

 

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Descrizione

Monolithic finger structure in free motion