scienza e ingegneria biorobotica -...
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Progettare e costruire macchine biomimetiche per la scienza
Progettazione di macchine
Scienza e Ingegneria Biorobotica
Progettare e costruire macchine per l’Uomo
di macchine bioispirate
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I
O
I
O
I
O
I
O
Ipotesi e modello teorico
Scienza Biorobotica
Fenomeno da studiare
Gripforce
Loadforce
Movement
Gripforce
Loadforce
Movement
studiare
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Biorobotica vs simulazione e modelli animali
HumanHuman modelmodel
InteractionModelModel ofof
interactioninteraction
World World modelmodelWorldWorld
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Biorobotic research at the AI Lab, MIT, Biorobotic research at the AI Lab, MIT, USAUSA
”It turns out to be easier to build real robots than to
simulate complex
“Humanoid intelligence requires humanoid
interactions with the world”
simulate complex interactions with the
world, including perception and motor control. Leaving
those things out would deprive us of key insights into the
nature of human intelligence”.
Rodney Brooks
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I
O
I
O
I
O
I
O
Ipotesi e modello teorico
Scienza Biorobotica
Fenomeno da studiare
Implementazione in un robot
Gripforce
Loadforce
Movement
Gripforce
Loadforce
Movement
ValidazioValidazione del ne del modellomodello
ESPERIMENTOConfronto fra la
prestazione del robot e quella del sistema
biologico
studiare
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Biorobotics epistemology
Proto-Cybernetics (J. Loeb 1905, 1912; H. S. Jennings 1906)
Mechanicism Vs. Functionalism for studying the behavior of living organisms
If a machine is implemented on the basis of a theory of behavior, and it behaves according to what this theory allows topredict, this test reinforces the proposed theory
Cybernetics (Rosenblueth, Wiener, Bigelow 1943)Cybernetics (Rosenblueth, Wiener, Bigelow 1943)
Unified approach to the study of living organisms and machines
Purposive adaptive behaviors (in animals and humans) are produced by feedback machines (teleology)Machines as ‘material models’ usefulfor testing scientific hypotheses
Machines are used for SCIENCE
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Cybernetic Robotics
Turtle robots (The living brain, Grey Walter, 1950-1953): simplerobotic models of ‘emerging’ behaviors
Machina speculatrix, Machina docilis, etc.
Early robots (’80/’90)
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Costruire l’umanoide per capire l’UomoCostruire l’umanoide per capire l’UomoSistema di
visione retinico
Braccio robotico:
Testa e collo antropomorfi:
7 gradi di libertà
7 sensori propriocettivi
Braccio robotico:8 gradi di libertà16 (8+8) sensori propriocettivi
Mano biomeccatronica:
10 gradi di libertà
13 sensori propriocettivi
12 sensori tattili
Gradi di libertà 25
Sensori propriocettivi 36
Sensori tattili 12
Sensori visivi 2
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Una piattaforma robotica per validare un modello dell’apprendimento della coordinazione senso-motoria per la presa nei neonati
Obiettivi:
�Migliorare le conoscenze sulla connettività cerebrale (architettura) e sull’attività cerebrale (funzionalità), riguardo la coordinazione riguardo la coordinazione senso-motoria nella presa nei bambini
� Integrare una piattaforma robotica per la presa e la manipolazione per validare modelli neurofisiologici delle 5 fasi di apprendimento della coordinazione visuo-tatto-motoria nei neonati
PALOMA EU IST-FET Project IST-2001-33073
P. Dario, M.C. Carrozza, E. Guglielmelli, C. Laschi, A. Menciassi, S. Micera, F. Vecchi, “Robotics as a “Future and Emerging Technology: biomimetics, cybernetics and neuro-robotics in European projects”, IEEE Robotics and Automation Magazine, Vol.12, No.2, June 2005, pp.29-43.
ARTS Lab, Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa
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Un robot umanoide come
modello del cammino umanoWalking robot Wabian-2R
WABIAN come simulatore dell’Uomo e strumento per la progettazione e la valutazione quantitativa di sipositivi di
supporto alla deambulazione
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RobotCub Project
Objective: to understand how the brain of living systems transforms sensory input into motor and cognitive functions by implementing
physical models of sensory-motor behaviours
G. Metta, G. Sandini, “Embodiment and complex systems. A commentary on Barbara Webb: Can robots make good models of biological behavior?”, Behavioral and Brain Sciences 24(6) pp. 1068-1069, 2001.
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The transition from aquatic to terrestrial locomotion was
a key development in vertebrate evolution.
An amphibious salamander robot demonstrates how a An amphibious salamander robot demonstrates how a primitive neural circuit for swimming can be extended by phylogenetically more recent limb oscillatory centers to
explain the ability of salamanders to switch between
swimming and walking.
The model suggests neural mechanisms for modulation of velocity, direction, and type of gait that are relevant for ALL tetrapods.
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CPG Model and the Robot
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Artificial Muscle
Actuators
Height : 510 [mm]Width : 450 [mm]
Tendon Driving
Wires
Dental Robotics: Clarify Human Dental Robotics: Clarify Human Mastication with Mastication ScientistsMastication with Mastication Scientists
Real Human Dry Skull
-9 AC Servo Motors
-Wire Drive
-Nonlinear Viscoelasticity
Depth : 600 [mm]
9 DOF9 DOF
With OKINO Industries
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Patient Manipulator Controller Display
Jaw Training Robot for TMD Patients
Designed using Human Mastication Model
Doctor Manipulator
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Jaw Training Robot and Patient Jaw Training Robot and Patient Simulator Robot for Exploring New Simulator Robot for Exploring New
Robotic Treatment Methodology Robotic Treatment Methodology
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Flutist Robot for Simulating Human Flute Playing:WF-4
GIFUGIFU--WASEDA WABOTWASEDA WABOT--HOUSE ProjectHOUSE Project
Professional Professional
Flutist: Mr. Flutist: Mr.
Kunimitsu Kunimitsu
Wakamatsu Wakamatsu
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Modeling of Human Speech Production Using Talking Robots: WT-3/4
WasedaWaseda DaigakuDaigaku ((WasedaWaseda University)University)
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Progettare e costruire macchine biomimetiche per la scienza
Progettazione di macchine
Scienza e Ingegneria Biorobotica
Progettare e costruire macchine per l’Uomo
di macchine bioispirate
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Robotica in Robotica in chirurgiachirurgia
Ingegneria Ingegneria BioroboticaBiorobotica
chirurgiachirurgia
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Il robot chirurgico “Da Vinci”Il robot chirurgico “Da Vinci”
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Da Vinci System,Intuitive Surgical Inc.
• Master-slave
manipulator
equipped with
2 articulated
joints at the
tip of the
surgical
instruments
allowing 7 allowing 7
degrees of
freedom
• Mimics the
movements of
surgeon’s
wrist and
fingers in the
abdominal or thoracic cavity
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The Evolution of Surgery
TRADITIONAL SURGERY
MINIMALLY INVASIVE SURGERY
ENDOLUMINAL SURGERY
Micro-endoscope for spinal cord
FETAL Da Vinci CAS system
Endoscopic capsulesReconfigurable surgical systems
FETAL SURGERY
Force-feedback scissor for fetal surgery
CELL SURGERY
Artificial virus for cell therapy
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Cognitive Unit
Visual interfaceHaptic interface
Surgeon
Intelligent Drive Unit
Processing Unit
Virtual model
A system for spinal endoscopy
Integrated ToolMechatronic Endoscope
Human Machine Interface
Patient(with localization
sensors)
Intelligent Drive Unit
Sensorized and actuated probe
Interchangeable instrumentation
External device for insertionand actuation
Localization System
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Information Society Technologies
The MiNOSC robotic endoscopic platform
T h e r o b o t - a s s i s t e dendoscopic platform is setin the operat ing room.
The motor unit and the steerable catheter tip
Neurobotics - The fusion of Neuroscience and Robotics, FP6-IST-001917 (www.neurobotics.info). A project funded by the Future and Emerging Technologies arm of the IST programmeFuture and Emerging
Technologies
3
1 2
3
1
2
MrollMpitch
3
1 2
3
1
2
MrollMpitch
Schematic view of the 2 DoF motor unit; on the right: sectionof the catheter; the dotted channels are used by the cables.
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Segmentazione delle immagini Segmentazione delle immagini
endoscopicheendoscopiche�� Risultati:Risultati:
•• L’algoritmo di segmentazione riesce L’algoritmo di segmentazione riesce sempre ad isolare correttamente le sempre ad isolare correttamente le regioni lumen le quali non vengono regioni lumen le quali non vengono mai sovradimensionatemai sovradimensionate
•• Le vene vengono riconosciute Le vene vengono riconosciute correttamentecorrettamente
•• I nervi vengono isolati correttamente I nervi vengono isolati correttamente anche se esistono possibili anche se esistono possibili interpretazioni sbagliate di bolle d’aria interpretazioni sbagliate di bolle d’aria anche se esistono possibili anche se esistono possibili interpretazioni sbagliate di bolle d’aria interpretazioni sbagliate di bolle d’aria con riflessi molto luminosicon riflessi molto luminosi
•• L’impiego del software su filmati di L’impiego del software su filmati di endoscopia su animale hanno endoscopia su animale hanno evidenziato le capacità dell’algoritmo evidenziato le capacità dell’algoritmo di essere impiegato in applicazioni in di essere impiegato in applicazioni in tempo realetempo reale
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“Inchworm” locomotion
Distal clamper
Proximal clamper
Central elongator
Typical colonoscopy prototypeDiameter : 24 mmRetracted Length : 115 mmElongated Length : 195 mmStroke: 80 mm
Proximal clamper
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Fantascienza…?Fantascienza…?
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…o sogno ingegneristico?…o sogno ingegneristico?
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Una capsula robotica per esplorare il corpo
umano
Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa
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Microrobot riconfigurabili
per l’esplorazione del
corpo umano
Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa
![Page 32: Scienza e Ingegneria Biorobotica - didawiki.di.unipi.itdidawiki.di.unipi.it/lib/exe/fetch.php/pro/pro2009-a2-introbioroboticaparte2.pdf · Scienza e Ingegneria Biorobotica Progettare](https://reader033.vdocumenti.com/reader033/viewer/2022041608/5e359e29b47bb801863e26b6/html5/thumbnails/32.jpg)
Robotica in Robotica in riabilitazioneriabilitazione
Ingegneria Ingegneria BioroboticaBiorobotica
riabilitazioneriabilitazione
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Macchine robotiche per la Macchine robotiche per la terapia riabilitativaterapia riabilitativa
Sensory based handle
DC MotorsX Y
Table
MEMOSMIT-Manus
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Una mano Una mano bionicabionica
1. Biomechatronic Hand
Different electrodes
8. Decoding patient’s intentions and Embedded closed-loop control of the
Implanted neural interface:� ENG efferent signals recording (patient’s
intention detection)
� Afferent nerves stimulation (to provide sensory
feedback to the patient)
2. Embedded Biomimetic sensors:
- within the structure
- within the glove
Different electrodes
6. Receiver
7. Transmitter
Stump
loop control of the artificial hand
The CYBERHAND ProjectIST/FET-2001-35094
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Robotica per l’assistenza a Robotica per l’assistenza a disabilidisabili
� Stazioni robotiche fisse
� Manipolatori su carrozzina
� Carrozzine intelligenti
� Robot mobili
� Sistemi robotici distribuiti ed ambienti intelligenti
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Evolution of Robotics for
Personal Assistance
Devar/Provar
Master-Raid
Fixed Workstations
Wheelchair Mounted Manipulators and
Intelligent Wheelchairs
TIDE-Omni
Modular Distributed Systems
INAIL-RTR
TOU
URMAD Project CareOBot
Mobile Robotic Systems
Helpmate
Wheelchairs
Sprint Immediate
TIDE-MOVAID
INAIL-RTR P3
HWRS ERC system
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Stazioni robotiche fisseStazioni robotiche fisse
Un manipolatore robotico
impiegato presso una stazione di lavoro fissa
DeVar/ProVar
VA R&D Rehabilitation Center, Palo Alto, CA
First prototype: 1982First evaluation: 1985
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Stazioni robotiche fisse per disabili:Stazioni robotiche fisse per disabili:EU TIDE Programme, “RAID” ProjectEU TIDE Programme, “RAID” Project
A robotic
First prototype: 1993 First evaluation: 1995
workstation for persons with physical disabilities in a computerized office environment
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Manipolatori su carrozzinaManipolatori su carrozzinaSPRINT-
IMMEDIATE
Manipolatore a bordo di
una carrozzina elettrica ad una carrozzina elettrica ad
assetto variabile per il
superamento delle
barriere architettoniche
First prototype: 1994
First evaluation: 1995
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Smart wheelchairs:Smart wheelchairs:EU TIDE “OMNI” ProjectEU TIDE “OMNI” Project
Omnidirectional
wheelchair with
First prototype: 1995First evaluation: 1996
wheelchair with
‘smart’ navigation
system based on
ultrasound and
infrared sensors for
obstacle detection