Un oggetto meccanico in grado di cooperare con l’uomo, interpretando i suoi movimenti ed aiutandolo nei lavori manuali pesanti: è questo l’ambizioso obiettivo dell’esperimento HUROBIN (HUman-Robot OBject INteraction) condotto dai ricercatori dell’Istituto di Biorobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa insieme ai tecnici della società Humanware, specializzata in dispositivi di tracciamento dei movimenti. Gli scienziati hanno messo a punto un braccio robotico capace di “afferrare” l’estremità di un oggetto e muoverlo seguendo la direzione imposta da una mano umana all’altra estremità. Ne parliamo con Nicola Di Lecce, ricercatore dell’Istituto e tra gli sviluppatori del braccio robotico.
Cosa si intende esattamente per biorobotica?
“La biorobotica è la branca della robotica che si occupa dello sviluppo di macchine in grado di compiere movimenti bioispirati, cioè “copiati” da esseri viventi. Gli esseri viventi sono macchine perfette, completamente funzionali all’ambiente in cui vivono: per questo gli scienziati ne studiano struttura, comportamenti e movimenti, e la biorobotica tenta di riprodurli. È stato realizzato, ad esempio, un robot modulare ispirato alla lampreda (un pesce simile all’anguilla), utilizzato nelle ricerche sottomarine; oppure Sabian, una macchina capace di camminare imitando i movimenti dell’uomo. In senso stretto, il braccio robotico che abbiamo sviluppato non è esattamente bioispirato, perché ha caratteristiche diverse rispetto al braccio umano e si configura quindi più come ausilio meccanico che come robot umanoide”.
Come funziona il braccio robotico?
“Abbiamo costruito e configurato un oggetto meccanico capace di interagire con l’uomo e di interpretare le azioni umane nel trasporto e movimentazione di oggetti pesanti, soprattutto in ambito industriale. In sostanza, il braccio ha il compito di sostenere il peso di un oggetto e di facilitarne il trasporto, seguendo il movimento umano ed interpretando la volontà dell’operatore. Il braccio è composto da 7 giunti regolati da 3 encoder, ossia sensori di posizione angolare, posti su ognuno di essi. I motori sono alimentati tramite dei fili che corrono lungo il braccio; ogni motore è corredato da un servomotore che ne stabilisce forza, posizione e velocità. Un computer centrale coordina i movimenti di ogni giunto: abbiamo sviluppato un’architettura software che risolve le equazioni cinematiche e dinamiche per imprimere al braccio la giusta traiettoria”.
Quali sono le prove a cui avete sottoposto il braccio?
“Finora abbiamo eseguito vari tipi di prove sperimentali volte a riprodurre le più comuni situazioni che potrebbero presentarsi durante l’utilizzo del braccio robotico. L’esperimento più semplice è quello in cui il braccio afferra e trasporta un oggetto da una posizione ad un’altra (pick and place) a velocità arbitraria, seguendo i movimenti di un manipolatore umano. Successivamente, abbiamo simulato il caso in cui l’operatore perda improvvisamente la presa sull’oggetto: in questo caso, il braccio arresta il moto e aumenta la forza delle pinze in modo da continuare a sostenere autonomamente il peso. Un’altra situazione possibile è quella in cui il movimento umano contrasti quello del braccio: in un caso del genere, il robot cessa di esercitare pressione e asseconda dolcemente lo spostamento impresso dall’uomo”.
Avete dotato il braccio robotico di controlli e dispositivi in grado di gestire le situazioni di emergenza e pericolo per operatori umani?
“La sicurezza è stato un punto chiave durante la fase di progettazione e sviluppo: poiché il robot coopera con un operatore umano, i suoi movimenti devono essere sempre controllati e volti a garantire l’incolumità dell’operatore. Abbiamo inserito un sensore di coppia sul polso del robot che controlla in ogni momento la posizione del braccio. Inoltre, la velocità e il raggio d’azione sono costantemente monitorati e limitati elettronicamente per non interferire con il movimento dell’operatore”.
Sono previste anche applicazioni non industriali, ad esempio in ambito medico o terapeutico?
“Il braccio sarà utilizzato per il recupero di soggetti con patologie post-traumatiche. Gli attuali robot a disposizione dei medici per aiutare i pazienti con difficoltà motorie sono vincolati ad operare solo lungo un piano: con il nostro braccio, invece, il soggetto avrà a disposizione uno strumento di fisioterapia completo, capace di sostenerlo e aiutarlo nei movimenti in tutto lo spazio. I medici potranno programmare il comportamento del robot, adattandolo alle esigenze di ogni paziente. Per questa applicazione, è previsto che il braccio eserciti la presa direttamente sull’arto del soggetto umano e ne assecondi i movimenti, correggendone dolcemente gli errori e le deviazioni dalla giusta traiettoria”.