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Robot , una questione di tatto

01/11/2016

Open to guest: L’ospite di oggi è Lorenzo Jamone, genovese, docente di ingegneria robotica alla Queen MaryUniversity di Londra (UK) e ricercatore associato in robotica cognitiva all'Instituto Superior Tecnico di Lisbona (Portogallo).


“Me tastu se ghe sun!” si dice da noi a Genova: mi tocco (per rendermi conto) se ci sono (o meno).


Questo é solo uno degli esempi di quanto il senso del tatto sia fondamentale per gli esseri umani: sia per supportare processi cognitivi di alto livello, quale ad esempio la coscienza di sé, sia per svolgere la maggior parte delle azioni quotidiane; azioni che sembrano estremamente facili (come... bere un bicchier d'acqua), ma non lo sarebbero se fossimo privati di questo senso.

Di conseguenza, l’obiettivo di introdurre i robot nella nostra societá, che sta rapidamente passando da fantascienza a realtá, passa necessariamente dallo sviluppo di un senso del tatto artificiale: sensori di contatto, pressione e forza che permettano ai robot di interfacciarsi con il mondo esterno.

I sensori

In particolare, i sensori che copriranno le mani dei nostri futuri amici robotici devono essere altamente sensibili (per riconoscere anche i piú lievi contatti) e soffici (per adattare la loro forma all’ambiente esterno), proprio come la pelle dei nostri polpastrelli. Inoltre, per facilitarne l’installazione, devono essere piccoli e leggeri, semplici ed economici da fabbricare.



Sin dal 2008, in collaborazione con diversi centri di ricerca (l’Istituto Italiano di Tecnologia a Genova, l’Istituto Superior Tecnico a Lisbona, l’Universitá di Waseda a Tokio) ho portato avanti lo sviluppo di sensori tattili che permettono al robot di "sentire" i contatti. Ad esempio, possono permettere al robot di muoversi in maniera sicura evitando forti collisioni con l’ambiente esterno o di afferrare un bicchiere di plastica senza deformarlo, e di sentire il suo peso quando viene sollevato , nonostante sia molto fragile e leggero; il robot é anche in grado di capire se il bicchiere é vuoto o meno, basandosi esclusivamente sulla percezione tattile.

Questi sensori sono ispirati al funzionamento di un tipo di recettori tattili presenti nel derma umano: i corpuscoli di Merkel. Questi recettori rispondono a stimoli meccanici (e sono quindi detti meccanocettori) inviando segnali nervosi al cervello e permettono quindi di percepire pressioni e deformazioni applicate sull’epidermide.



La realizzazione dei sensori


Per realizzare i sensori ci siamo affidati a diversi componenti facilmente reperibili in commercio: un sensore magnetico ad effetto Hall, un piccolo magnete, un silicone bicomponente. Il silicone bicomponente permette di creare un polpastrello soffice con il magnete annegato all’interno. Prima il silicone in forma liquida viene depositato in uno stampo della forma desiderata, e lasciato a solidificare; poi il magnate viene posizionato sul silicone solido, e altro silicone liquido viene aggiunto per ricoprire il magnete, e lasciato a solidificare. Il sensore ad effetto Hall viene installato sul dito metallico del robot, ed il polpastrello di silicone viene poi montato sopra (vedi foto1, immagine di sinistra): il sensore ad effetto Hall misura il lieve campo magnetico generato dal piccolo magnete presente nel polpastrello.

Quando una pressione viene applicata sulla superficie esterna del polpastrello, questo si deforma, generando uno spostamento del magnete, e quindi una variazione di campo magnetico che viene registrata dal sensore ad effetto Hall: il sensore misura quindi, in forma indiretta, la pressione applicata



Questa tecnologia é stata utilizzata per fabbricare diversi sensori tattili negli ultimi 3 anni, che sono stati installati in diversi mani robotiche.

I piú recenti sviluppi hanno portato alla creazione di polpastrelli altamente sensibili per il nostro robot-amico Vizzy , e di elementi modulari dotati di molti punti di contatto sensibili, che possono essere collegati tra loro per ricoprire ampie superfici e creare quindi una vera e propria pelle sensibile artificiale .


  


I sensori ad effetto Hall sono chip integrati facilmente reperibili su Internet a basso costo (e.g. il chip MLX90393 di Melexis). Il segnale elettrico di misura generato dal sensore puó essere letto da una scheda di acquisizione digitale, ad esempio un Arduino con bus I2C, come il modello Micro. Uno dei vantaggi delle schede Arduino é che sono piuttosto semplici da programmare, utilizzando il linguaggio Arduino che é basato su C/C++, anche perché esistono molte librerie di supporto per svolgere le operazioni necessarie. Ad esempio, la libreria Wire permette di realizzare facilmente una comunicazione master-slave su bus I2C tra la scheda Arduino (master) e i chip MLX90393 (slaves), a cui devono essere assegnati indirizzi statici differenti; il chip MLX90393 dispone di 4 bits per l'indirizzo I2C, ed é quindi possibile gestire la comunicazione con un massimo di 16 sensori ad effetto Hall MLX90393 utilizzando un unico controllore I2C. Questo ci ha permesso di integrare 16 sensori tattili sulla mano del nostro robot-amico Vizzy.

Un esempio di silicone bicomponente é il Sylgard 186 di Dow Corning, che puó essere anch'esso acquistato facilmente su Internet.


Per saperene di più e approfondire la conversazione:


http://lorejam.blogspot.it/


T. P. Tomo, S. Somlor, S. Schmitz, L. Jamone, W. Huang, H. Kristanto and S. Sugano, Design and Characterization of a Three-Axis Hall Effect-Based Soft Skin Sensor. MDPI Sensors, Vol. 16, No. 4, pp. 491. 2016.

L. Jamone, L. Natale, G. Metta and G. Sandini, Highly sensitive soft tactile sensors for an anthropomorphic robotic hand. IEEE Sensors Journal, Vol. 15, No. 8, pp. 4226-4233. 2015.


Bio:

Lorenzo Jamone, genovese, è docente di ingegneria robotica alla Queen Mary University di Londra (UK) e ricercatore associato in robotica cognitiva all'Instituto Superior Tecnico di Lisbona (Portogallo). Dopo gli studi in ingegneria informatica all'Universitá di Genova) e il dottorato in tecnologie umanoidi all'Istituto Italiano di Tecnologia, é stato ricercatore associato in robotica umanoide all’ Universitá di Waseda a Tokio (Giappone). Lorenzo si occupa sia di aspetti tecnologici lagati alla realizzazione dei robot (ad esempio, sensori tattili e di forza, strutture meccatroniche avanzate per robot umanoidi) che di aspetti scientifici relativi all'uso dei robot nella societá: come la creazione di una "intelligenza artificiale" che permetta ai robot di imparare autonomamente e interagire con gli esseri umani e che possa anche aiutare a spiegare l'intelligenza umana.