Robotica Intelligente come driver per l’industria Italianadriver per l industria Italiana

Ramiro dell’Erba- Ricercatore ENEA

INDUSTRIA 4.0L’importanza della collaborazione Imprese – Enti di ricerca per la p p pcompetitività del Paese

Verona22 marzo 2016

Chi siamo? Le origini1960

ENEAENEAFoto storiche del primoprimo teleoperatore Mascot PossedevaMascot. Possedeva già mobilità, visione e grandevisione e grande sensibilità di force-feedbackfeedback

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L’industriaFASP FASP EUREKAEUREKAFl iblFl ibl A t tiA t ti ii ShiShi P f b i tiP f b i tiFlexibleFlexible AutomationAutomation in in ShipShip PrefabricationPrefabrication

Piegatura lamiere

• Macchina a controllo numerico per la piegatura automatica a caldo di lamierepiegatura automatica a caldo di lamiere navali (processo altrimenti eseguito a freddo, mediante presse idrauliche, per approssimazioni successive)• 4 teste indipendenti recanti ciascuna 3• 4 teste indipendenti, recanti ciascuna 3 torce ossiacetileniche, movimentate secondo gli assi x-y da un carroponte, per complessivi 22 gradi di libertà (2 carro ponte + 5/testa)ponte + 5/testa)• lamiera da piegare poggiata su un letto di martinetti, che ne seguono la curvatura mediante sensori di forza• sistema di controllo “basso livello”• sistema di controllo basso livello modulare, HW VME + RTOS VxWorks• sistema di controllo “alto livello” UNIX: pianifica le traiettorie (indipendenti) delle 4 teste e quindi le linee di riscaldamento della

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teste e quindi le linee di riscaldamento della lamiera, consentendo il raggiungimento delle forme volute

Il subacqueoROTISROTIS ((RORObot for bot for TTanker anker IInnSSpection)pection)

•• Progetto europeo IV Progetto europeo IV FPFPFP.FP.

•• Realizzazione di un Realizzazione di un ROV per l’ispezione e ROV per l’ispezione e la manutenzione delle la manutenzione delle petroliere.petroliere.

•• Ruoli di ENEA: ConsoleRuoli di ENEA: Console•• Ruoli di ENEA: Console Ruoli di ENEA: Console di comando, di comando, architettura di sistema, architettura di sistema, trattamento delle trattamento delle misurazioni.misurazioni.

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Il subacqueoRobot sottomarini

SARA (AUVAutonomo)

VVenusAuv a basso costo

T t t iTesta stereoscopica per applicazioni archeologiche

Falcon  (Teleoperato)

Il subacqueoRobot sottomarini

Modem ottico sperimentale

VVenusAuv a basso costo

L’industriaA lato una vista del dimostratore integrato, realizzato nel corso d ll’ i i ’ l i ll b idell’attivita’ svolta in collaborazione con BS e Cosmob.

L’industria

Le PMI

ENEA: Sviluppo di service robotics di PMI nazionali per l’industria Farmaceuticap

Uno dei sistemi a maggior livello di intelligenza eUno dei sistemi a maggior livello di intelligenza e sensorialità sviluppato da ENEA su piattaforma I‐Robot 

Il d tt li d l l lt l f ti èIl dettaglio del lavoro svolto per la farmaceutica è protetto da segreto industriale

Sensors: ultrasound, laser, stereo vision, IR camera,  GPS, compass, accelerometers, odometer

Beni culturali: la Realtà Aumentata

Optical see‐through displays show virtual informationOptical see through displays show virtual information 

merged into the real world

Alcuni impieghi della robotica

• La robotica come strumento di produzione di prodotti finali

• La robotica come prodotto finale (entertainment, service, sanità, domestico)

• La robotica per il militare e la security

Mercato della robotica

Mercato della robotica

Mercato della robotica

http://www.ifr.org/news/ifr‐press‐release/survey‐13‐million‐industrial‐robots‐to‐release/survey 13 million industrial robots toenter‐service‐by‐2018‐799/

https://www.linkedin.com/pulse/world‐robotics‐statistics‐2014‐forecasts‐2015‐2018‐released‐haegele?forceNoSplash=true

Mercato della robotica

G d it d l i i d t i l• Grande crescita del service, industriale cresce meno. 

• Service diviso in professional e domestic• Service diviso in professional e domesticservice

• Attualmente 1 3 mil di robot per 11M$• Attualmente 1,3 mil di robot per 11M$ fatturato indust. e 6M$ service 21M$ di indottoindotto. 

• Ci si aspetta al 2018 Prof. service 150krobot per 20 Miliardi $ (sono molto costosi)per 20 Miliardi $ (sono molto costosi)

• 35 mil utenze domestiche da 20M$ nel 2018 per 15M$ indotto p $

Strumento di produzionetrend della ricercatrend della ricerca

Incremento del mercato (e l’Italia?)Lavorare accanto all’uomoLavorare accanto all uomo

Soft robotics (sia meccanica che software)ll f ( )Intelligent Interfaces (riprogrammazione avanzata)

La Fabbrica intelligentegFlexibilityGestione autonoma dei flussiGestione autonoma dei flussiProgrammazione di fabbrica

Lavorare accanto all’uomo• Curiamo l’intelligenza della macchina• Cooperazione / coordinamento uomo-macchinaCooperazione / coordinamento uomo macchina

Dependability. • Fabbrica con l’uomo. Adattamento ai tempi e modi

dell’uomo. Non solo sicurezza.

Piazza Cittadella 12 VeronaPiazza Cittadella 12 ‐ Verona

Vantaggi dell’intelligenza

Come strumento di produzione FlessibilitàFlessibilitàInterfaccia Produttività  (sull’intero ciclo –programmazione –esecuzione – mobilità – multi cooperazione ‐ anche con uomo)• Fabbrica autonoma (macchine (

eterogenee)

L’industria: produzione cooperativa• Concetto di Intelligenza di gruppo

La robotica come prodotto finale

Esplosione dei roomba e loro cloni (domotica)Games / Pets Fallimento? (provvisorio)Games / Pets Fallimento? (provvisorio) dell’entertainment

b ( d lService Robotics (edilizia, auto, emergencyrovers marini e terrestri, security, medicina e chirurgia)

DRONI (security safety servizioDRONI (security, safety, servizio, protezione civile, entertainment)

Vantaggi dell’intelligenzaCome prodotto finaleInteragisce meglioInteragisce meglio (dependability) – single

Si coordina meglio con altriSi coordina meglio con altri robot (dependability) –socialsocial

Prestazione più elevata in ambienti umani (poco strutturati)

Competitività della industria high‐tech nazionale (intelligence technologycome driver)

Competitività e industria high‐tech nazionale (intelligence technology come driver)

Intelligenza driver fondamentale… ma+ intelligenza= + autonomia = + conflitto+ intelligenza + autonomia   + conflitto potenziale

d à dQuindi  serve una maggiore capacità di prevedere e correggere – sistemi dependable, resilient, reliable

Sviluppo di algoritmi ed emulation toolsSviluppo di algoritmi ed emulation tools

Competitività e industria high‐tech nazionale  (intelligence technology come driver)

’ li i d i d i di i ( i ) il dL’Italia possiede una expertise accademica e di ricerca (Univ. ENEA‐CNR) tra il secondo e il terzo posto al mondo

Tra i nomi che sono stati presidenti per anni delle maggiori società di ricerca internazionale (IEEE‐RAS, IFAC, IFR) – Bruno Siciliano, Cecilia Laschi, Paolo Dario, Arturo Baroncelli, Antonio Bicchi

Tra i recenti successi il premio a tre ricercatrici italiane di robotica come migliori alTra i recenti successi il premio a tre ricercatrici italiane di robotica come migliori al mondo nel settore (Cecilia Laschi, Barbara Mazzolai (vice pres. IIT), Barbara Caputo (univ. Sapienza)

La ricerca italiana potrebbe fornire un supporto di enorme valore ad una espansioneLa ricerca italiana potrebbe fornire un supporto di enorme valore ad una espansione dell’industria (di robotica) media e anche grande nazionale  (e in generale del prodotto finale) verso prodotti di robotica ad alto valore aggiunto (intelligenza e sensorialita’)sensorialita )

Considerata la propensione nazionale ai prodotti tecnologici (consumo, vedi smartphone,  tablet), il mercato italiano potrebbe essere potenzialmente molto predisposto ad accettare robot di entertainment e domesticipredisposto ad accettare robot di entertainment e domestici

Una società di robot

Quando pensiamo ad una società immaginiamo una società come quella dell’uomoQuando pensiamo ad una società immaginiamo una società come quella dell uomo, ma qualsiasi aggregazione di automi in grado di svolgere compiti con alto livello di autonomia collaborando tra loro è di fatto una società. Una RS è una struttura (eventualmente gerarchica, con regole dettate dallo scopo) di robot individuali con ( g , g p )obbiettivi specifici diversi ma obbiettivi globali comuni dettati dall’uomo. E’ necessario un comportamento dependable

Una società non ha lo stesso livello di affidabilità di una singola macchina e per una società non valgono i classici di affidabilità che valgono il singolo robot. Occorre perciò introdurre nuovi concetti anche perché i danni che deriverebbero dal blocco di una fabbrica a causa di incompatibilità casuali potrebbero essere molto elevati. Bisogna evitare comportamenti collettivi NON desiderati dovuti sia alla interazione uomo‐robot sia alla risposta della singola macchina al contesto che può variare

La Social Dependability dei robots, di cui ENEA si è occupato probabilmente come primo al mondo, cerca di rispondere a questi problemi quantitativamente

Da mucchio di macchine a una società di robot

Per passare da un mucchio di machine (guida a responsabilità umana) ad una Società ( bilità di i t l i tà di(responsabilità condivisa tra le società di macchine egli umani) servono alcuni elementi “sine qua non” 

Regole di comportamento condivise

QUALITA’ Robot Intelligence Newg

CAPACITA’ Inter‐Robot Communications capability

NewRobotSociety

NECESSITA’ di cooperare e comunicare per un lavoro comune

ClassicalClassical DependabilityDependability theorytheory aspectsaspects

Nuovi aspetti sociali della dependability

TaskPowerTime (or action Speed)Distance (reciprocal)Distance (reciprocal)Importance (task)Social

Dependability

Member Classical Dep. AttributesThreats

CommunicationsM b l

Means

InteractionAspects Human interaction aspects

fli ti bit ti

Density of membersMember role

conflicting arbitrationMSOffice1

MSOffice2

MSOffice3

Diapositiva 29

MSOffice1 need or capability to interact not always needed – task – but a limitation in number of units simultaneously operative ; 17/04/2008

MSOffice2 need for Hyerarchical (?) or networked (?) organisations and roles ; 17/04/2008

MSOffice3 Dubbio sulla coerenza della definizione task e sulla sua chiarezza (task del membro o della societa') chiarire usare il plurale usare la parola energia? ; 30/04/2008

Nuovi aspetti sociali della dependability

Task Target Failures

Slow Down

SocialDependability

Job miss

Member Agent FailuresAttributesThreats

Physical Communication Failure

ThreatsMeans

Social Aspects

y

Lacking of Response to Humanid li

Language Communication Failure

guidelines

Damages to humans ot otherobjects (robots, goods, etc..)

Nuovi aspetti sociali della dependability

Task Team coordination & Replanning

Space Occupation Verification & Control

Task delayingSocialDependability

Member New Interaction ManagementAttributesThreats

Social Rules Definition

ThreatsMeans

Social Aspects

N H C l / L

MultiSocial Approach (Robot S. – Human S.)

New Human Culture / Laws MSOffice4

Diapositiva 31

MSOffice4 Things cannot be in charge only to Robots and Robot Designers. In a multisocietal situation also human society must be prepared to manage the new relationship. Similar needs are already established in the working world to define rules for increasing safety of workers in complex environments were production or servicing machines share the space with humans ; 25/04/2008

Come può nascere una situazione di crisi da sistemi perfettamente operanti

Society operation areaA1Area ID = A1

A1 = operation areaA1

1 3

Area ID = A1

RS = {1 2 3 4}

HS = human societyRS = robot society

1AHSRS

1

1 2

RS = {1, 2, 3, 4}

1 = Working Team2 = Single Worker

1

2   Single Worker3 = Companion4 = Companion

4

D2 = Dependability of member 2D(RS) = Dependability of Rob Soc.M D = Member DependabilityM_D  Member DependabilityC_D = Crossed Dependability

Come può nascere una situazione di crisi da sistemi perfettamente operanti

Caso operativo.Robot che svolge funzioni di manutenzionestradale entra, se non adeguatamente inserito in un 

Crisi legata apotenziali collisioni degli obiettivi differenziati dei vari robot

contesto di socialdependability/standard di comunicazione/ standard di comunicazione sociale/regole di comportamento / ecc con robot

dei vari robot(alcuni proteggono gli uomini, altri avevano compiti di servizio e cosìvia). regole di comportamento / ecc… con robot 

personali (ad esempio assistenzaciechi) che si trovano ad occupare il medesimo spazio nello stesso tempo.

)Concetto di condivisione dello spazio, tempoe condivisione o no dell’obiettivo. 

Gli aspetti di collision avoidance potevano essere bypassati da variecircostanze (es: necessità di supportare l’uomo, cosa che determinava unche determinava unconflitto: il robot non valutava che l’effetto della collisione potevagenerare situazioni ancora più pericolose per l’uomo che non il lasciarlo dasolo) e quindi l’incidente era possibile. Applicazione della teoria dei giochicooperativa allo spazio aereo potrebbe risolvere quelcooperativa allo spazio aereo potrebbe risolvere quel particolare problema,ma forse non altri. 

Conclusioni• Il mercato, specialmente della robotica di servizio, è in netta 

espansionep• L’Italia ha una tradizione di tutto rilievo sulla robotica 

industriale, un  po’ meno nel service ove è leggermente in dritardo

• L’Italia ha una posizione accademica di primissimo piano• Vi sono spazi di espansione immensi pari a quelli degli• Vi sono spazi di espansione immensi, pari a quelli degli 

smartphone, che vanno colti• Abbiamo e dobbiamo sfruttare la possibilità p• di operareENEA, insieme ad altri, sta l d bllavorando sui problemi dell’intelligenza di gruppo cooperativa e che potrebbe darecooperativa e che potrebbe dare un apporto di tecnologia e know‐how importante su temi specifici