Uomo e robot assieme per la sicurezza

La robotica collaborativa consente di combinare la versatilità e le doti di ragionamento umano con la ripetibilità della macchina. L’utilizzo di robot permette di sollevare le persone da compiti gravosi o pericolosi, migliorando le condizioni di lavoro e la salute degli operatori; inoltre, il loro uso è fondamentale per la gestione di problemi fisici e per il recupero delle funzioni motorie in soggetti fragili. L’Istituto sistemi e tecnologie industriali intelligenti per il manifatturiero avanzato (Stiima) del Cnr è coinvolto in numerosi progetti in cui implementa e convalida soluzioni atte a rendere l’interazione tra uomo e robot efficace, non tralasciando il problema della sicurezza. 

Esiste in questo ambito un costante flusso di studi. Con il progetto 'Pick-Place' il Cnr-Stiima ha ideato algoritmi di pianificazione del movimento per ridurre i tempi morti, rendere la programmazione e movimentazione dei robot il più naturale possibile e ottimizzare la distribuzione dei carichi durante la co-movimentazione di oggetti di notevoli dimensioni. L'Istituto partecipa poi attivamente a due progetti europei finanziati dall’Unione Europea tramite il programma di ricerca e innovazione Horizon 2020: Sharework (Safe and effective human-robot cooperation towards a better competiveness on current automation lack manufacturing processes) e DrapeBot (Collaborative draping of carbon fiber parts).

Sharework, iniziato nel novembre 2018 e in corso fino a ottobre 2022, conta su un budget di oltre sette milioni di euro e ha come obiettivo conferire all’ambiente industriale l’intelligenza e le tecnologie necessarie per ottenere una collaborazione di alto livello uomo-robot. DrapeBot mira a implementare un sistema collaborativo per effettuare  operazioni di "draping", ossia posizionare gli strati di fibra di carbonio in modo che si adattino con accuratezza sulla forma dello stampo, garantendo un orientamento ottimale ed evitando che si formino increspature. Lo stampo viene chiuso e all’interno viene iniettata resina ad alta pressione. È un processo solitamente automatizzato e impiegato per la produzione su larga scala. Il compito dell’automa è assistere l’operatore durante il trasferimento di grandi pezzi di materiale all’interno di stampi ed effettuare il draping nelle aree dello stampo a bassa curvatura, mentre l’operatore si occuperà di quelle ad alta curvatura.

Per quanto riguarda il contesto della disabilità, un ruolo chiave è svolto dal laboratorio officina AAL, Robotic Rehab, Motion Analysis del Cnr-Stiima, al cui interno vengono sviluppate soluzioni con approccio human-centered per l’assistenza, la riabilitazione e la valutazione multifattoriale di soggetti fragili. Le attività svolte riguardano: sviluppo di dispositivi e tecnologie robotiche e digitali; acquisizione e analisi di dati biometrici, biomeccanici e fisiologici; test di tecniche e algoritmi di intelligenza artificiale e di algoritmi di controllo multisensoriale.

Nell’ambito della riabilitazione e della robotica per applicazioni medicali il Cnr lavora con un approccio fortemente incentrato sulla personalizzazione e le necessità del singolo paziente. Le applicazioni per il settore biomedicale riguardano in particolare gli ambiti della riabilitazione e della chirurgia, con un approccio meccatronico integrato alla progettazione e allo sviluppo di algoritmi che garantiscano di eseguire in sicurezza e autonomia terapie riabilitative e/o pratiche chirurgiche. L’Istituto di calcolo e reti ad alte prestazioni (Icar) del Cnr di Palermo ha avviato un innovativo laboratorio per ricerche di robotica sociale con applicazioni nell’education e nell’assistenza agli anziani e ai disabili. Lo scopo è creare una nuova generazione di automi in grado di emulare comportamenti e meccanismi dell’essere umano per essere utilizzati in attività di assistenza.

“In questa fase di sviluppo della robotica, oltre al miglioramento delle prestazioni, un elemento fondamentale è il controllo dell’interazione, non solo tra il robot e l’ambiente, ma anche tra il robot e il corpo umano", spiega la presidente del Consiglio nazionale delle ricerche Maria Chiara Carrozza, già professore ordinario di Bioingegneria industriale all’Istituto di biorobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa. "Il miglioramento delle capacità in questo tipo di interazione è essenziale per lo sviluppo di una robotica applicata non esclusivamente all’ambito industriale, ma anche a quello dei servizi. L’obiettivo è consentire al robot di poter operare non solo in un ambiente manifatturiero, nel quale viene controllato a distanza da operai specializzati, ma anche in altri tipi di ambiente, aprendo la strada a nuove applicazioni in ambiti come la robotica medica, chirurgica o riabilitativa. Si tratta di settori nei quali è essenziale che il contatto con il corpo umano avvenga in maniera sicura e controllabile. Un obiettivo ulteriore della robotica contemporanea è, inoltre, quello di diventare robotica di consumo, andando oltre la stessa area dei servizi, per operare anche in un contesto domestico, al servizio di un utente non specializzato e formato per utilizzarlo. Assistiamo già ad alcune applicazioni di questo tipo: pensiamo ai robot per la pulizia automatica della casa. Utilizzi di questo tipo sono stati resi possibili da una tecnologia che ha consentito di alleggerire il telaio e la struttura meccanica del robot, ma anche da un miglioramento dei controlli, accelerato dallo sviluppo di forme di intelligenza artificiale. Siamo quindi oltre l’automazione del task fisico: nella fase in cui ci troviamo il punto centrale è l’automazione cognitiva di compiti che erano riservati alla sfera dell’umano. Questo, potenzialmente, cambierà in maniera radicale lo scenario della robotica e delle sue applicazioni”.

Un ulteriore aspetto con prospettive promettenti e affascinante in ambito di ricerca è la cosiddetta “robotica bioispirata”. Quali sono le caratteristiche di questo approccio e quali risultati permette di ottenere? Quali sono gli orizzonti aperti da queste tecnologie? “Parlando di robotica bioispirata si entra nel campo della bioingegneria, di cui mi occupo personalmente", prosegue la presidente Cnr. "Si tratta di un metodo in base al quale, al fine di dotare il robot di alcune capacità, si studiano i meccanismi attraverso i quali i sistemi biologici rendono possibili determinate funzioni. Da questo studio emergono modelli che vengono poi applicati alla robotica. Si tratta di approcci che hanno prodotto risultati molto importanti a partire dagli anni Novanta, un periodo molto interessante, nel quale si è anche sviluppata la ‘neurorobotica’. La robotica bioispirata non imita letteralmente i sistemi biologici, in quanto noi abbiamo una conoscenza empirica delle neuroscienze e della biologia. Ad esempio, non abbiamo le equazioni del controllo motorio, ma abbiamo modelli che possono essere applicati sui robot oppure utilizzati per sviluppare robot che possano sostituire funzionalmente o coadiuvare le funzioni umane". Si può parlare di un superamento del confine tra naturale e artificiale? "Quando parliamo del rapporto tra robotica e applicazioni mediche, è difficile stabilire il confine tra naturale e artificiale", conclude la presidente Carrozza "Pensiamo ad esempio alle neuroprotesi, che sostituiscono la funzione umana e sono impiantate nel corpo, oppure alle protesi osteointegrate. In questi casi la fusione con il corpo umano e con le sue parti interne è talmente forte che non ha più senso stabilire un confine”.