Risoluzione della ridondanza cinematica in manipolatori robotici a doppio braccio basata su un criterio biomeccanico

In the last years, the use of robots has become more and more frequent in a variety of fields: from industrial applications to surgery or rehabilitation ones. In many cases robot should work near or, even, cooperating with human beings. To guarantee a good level of human-robot interaction it is not only necessary for the human to be safe, but he/she also has to feel comfortable with the robot: mechanical motions must be seen as predictable and ''natural''. A particular class of manipulators (redundant robots) avaiable in the market have a number of degrees of freedom larger than those needed to complete a given task. Given a task, the robot can satisfy it choosing arbitrarily a configuration among an infinite number of possibile ones. The aim of this thesis is to use a biomechanical model to detect which of these configurations is the most ''human-like'' and make the robot achieve that. Using this criterion to solve the redundancy resolution problem, a human would feel the robot's movements more ''natural''. This problem has been analyzed in three different cases: tasks of hand positioning, use of an axial symmetrical shaping tool (drill) and bimanual tasks. In each situation the redundancy has been expressed through suitable parameters (1, 2, 8 quantities respectively). A set of sample tasks has been considered and values of the parameters corresponding to human configurations have been found. These values have been then used to find a function able to generalize the relation between the given task and the redundancy parameters, so that, given a generic task, it is possible to find an approximation of the best configuration the robot has to achieve in order to be ''human-like''.

Negli ultimi decenni l'utilizzo dei robot si è diffuso in diversi campi, sia in applicazioni industriali sia in applicazioni di servizio, come la robotica chirurgica o riabilitativa. In numerosi contesti i robot vengono utilizzati a contatto o nelle vicinanze di esseri umani. E' quindi importante che essi siano robusti e affidabili in modo tale da garantire l'incolumità umana. Inoltre, perché sia presente un buon livello di interazione tra uomo e robot, è necessario che l'essere umano riesca a percepire come sicuro il robot, si senta a proprio agio e percepisca i suoi movimenti come prevedibili, proprio come se stesse lavorando, o comunque interagendo, con un altro essere umano. Esistono in commercio manipolatori ridondanti che possiedono più gradi di libertà di quelli strettamente necessari per eseguire un compito. In altre parole, assegnato loro un compito è possibile scegliere in modo arbitrario una tra infinite posture che lo soddisfano. Scopo di questa tesi è utilizzare un modello biomeccanico del braccio umano per determinare, dato un compito, quale tra quelle ammissibili sia la postura più simile a quella assunta dall'essere umano nelle stessa situazione. In questo modo utilizzando questa posa per risolvere la ridondanza del robot, il robot è percepito in modo più ''naturale'' da un generico essere umano presente nelle vicinanze. Il problema è stato analizzato per tre casi di studio: per compiti di posizionamento della mano, per compiti di utilizzo di un utensile a simmetria assiale e per compiti bimanuali. In ognuno di questi casi sono state scelte delle grandezze per esprimere la ridondanza e si è cercato un legame tra il valore che assumerebbero nell'essere umano e il compito specifico assegnato.