76 October 2015 Inspired for Technology

RoDyMandi Bruno Siciliano

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La manipolazione di oggetti che cambiano di continuo densità e forma è tra le sfide più attese, ambiziose e difficili della robotica. A coglierla sarà il robot RoDy-

Man, acronimo di Robotic Dynamic Manipulation. Si trat-ta di un progetto di ricerca finanziato dall’European Rese-arch Council al Consorzio CREATE e condotto dal team che mi pregio guidare presso il PRISMA Lab del Diparti-mento di Ingegneria Elettrica e Tecnologie dell’Informa-zione dell’Università di Napoli Federico II (Figura 1). L’obiettivo è lo sviluppo di un robot di servizio che sia in grado di replicare attività umane con un livello di destrez-za e mobilità mai visto prima d’ora, e che si renda utile non solo in campo manifatturiero ma anche in campo medico, chirurgico, di assistenza alla persona, e in gene-rale ovunque sia richiesta la manipolazione di materiali morbidi ed elastici. Si è pensato per questo di realizzare un robot pizzaiolo. È un tributo a Napoli, città all’avanguardia nella tecnolo-gia robotica, nell’automazione, nella gastronomia, nell’arte e nella cultura in genere. E portare nei nostri la-boratori di ricerca la pizza, simbolo e rituale di un’antica tradizione, ci è sembrato un connubio originale tra umo-rismo, inventiva, genialità e umanità. Il nostro robot piz-

Dalla pizza alla cura dell’uomo, le abilità di

zaiolo si presta bene a cogliere la sfida, considerando le difficoltà che ogni persona inesperta incontra nel prepa-rare una buona pizza dovendo manipolare un impasto di acqua e farina, di densità, forma e consistenza sempre molto variabili.

Replicare una funzione motoria molto complessa Per comprendere l’elevata sfida di RoDyMan dal punto di vista scientifico dobbiamo partire dal presupposto che a oggi, per un robot, è ancora difficile poter replicare la destrezza delle capacità umane. Tanto più quando si trat-ta di manipolare oggetti proteiformi. Per un essere uma-no la destrezza manipolatoria di piccoli oggetti - tanto più se mutanti per forma consistenza e densità - è il risul-tato del lungo e complesso sviluppo neuromotorio. Basti pensare che solo dopo 3 anni il bambino riesce ad affer-rare un oggetto con il pollice, l’indice e il medio. Andan-do avanti con lo sviluppo le abilità manipolatorie del bambino migliorano, soprattutto grazie all’auto-adde-stramento, che avviene spontaneamente con il gioco, e con i ripetuti stimoli a manipolare oggetti di varia natura, consistenza e forma da parte degli educatori.

1. Il PRISMA Team guidato dal professor Bruno Siciliano. 1. The PRISMA Team headed by professor Bruno Siciliano.

Ma sappiamo bene che lo sviluppo neuromotorio da solo non è sufficiente e che senza addestramento un individuo non potrà manifestare al meglio quelle abilità manuali che appartengono al suo corredo naturale. L’addestra-mento è fondamentale dunque per l’evoluzione culturale della manipolazione di oggetti e che si esprime con il “sa-per fare”. Del resto, l’aveva detto Anassagora: l’uomo è intelligente perché ha le mani. Intendendo che è stata la sua capacità manipolatoria, e dunque trasformativa di se stesso e dell’ambiente, a renderlo quello che è. Nel progetto RoDyMan si pone dunque il problema di re-plicare in una macchina una funzione motoria molto com-plessa, frutto al contempo dell’evoluzione biologica e cul-turale. Si dovrà peraltro riprodurre anche la simmetria e l’armonia che scaturiscono dai movimenti del pizzaiolo. Il nostro robot riuscirà a fare la pizza, infornarla, seguirne la cottura e infine sfornarla, con la medesima destrezza e l’a-bilità di un maestro pizzaiolo? I problemi tecnici sono tal-mente numerosi che per parlarne servirebbe un trattato. Semplificando il più possibile possiamo dire che solo sfruttando e combinando la dinamica dell’oggetto con quella del robot, il sistema robotico potrà raggiungere lo scopo di manipolare l’oggetto nella maniera desiderata. Nella manipolazione dinamica le forze e le accelerazioni giocano un ruolo rilevante; queste, insieme alla cinemati-

M anipulation of elastic and soft objects, which change continuously density and shape, is one of the most anti-

cipated arduous challenges of robotics. Such a challenge will be seized by the robot RoDyMan, acronym for Robotic Dynamic Manipulation (www.rodyman.eu). It is a research project fun-ded by the European Research Council to the CREATE Consor-tium and carried out by Bruno Siciliano’s team at PRISMA Lab (www.prisma.unina.it) in the Department of Electrical Enginee-ring and Information Technology of the University of Naples Fe-derico II (Figura 1). The goal is the development of a service robot that is able to replicate human activities with an unprece-dented level of dexterity and mobility, to be used not only in manufacturing but also for medical, surgical, personal care, and in general whenever manipulation of deformable materials is required. The demonstrator will be a pizza robot chef. It is a tribute to Naples, a city at the forefront of technology, robotics and automation, but especially of culture and gastronomy, of which pizza is a symbol and tradition. Taking pizza to our rese-arch labs, as a symbol and ritual of an old tradition, represents an original synergy among humour, inventiveness, ingenuity and humanity. Our pizzaiolo robot is well suited to meet the challenge, considering the difficulties that any inexperience per-

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ca e alle forze statiche e quasi-statiche, consentono di ottenere una completa descrizione del compito di mani-polazione. Inoltre, la manipolazione non prensile di un oggetto estende i movimenti comuni al rotolamento, al lancio, alla spinta, al volteggio, etc. La complessità è ulte-riormente accresciuta nel momento in cui si considerano oggetti malleabili e robot su piattaforme mobili.

La relazione con gli esseri umani è il cuore del progetto Con due braccia agili e due mani antropomor-fe, RoDyMan sarà in grado di manipolare og-getti flessibili e deformabili, come il cibo che mangiamo, i vestiti che indossiamo e potrà ave-re applicazioni in ambito chirurgico operando su tessuti molli, come muscoli e pelle. Il dimo-stratore finale sarà un robot umanoide con due braccia e due mani a cinque dita, un torso e una testa. Privo di gambe, sarà invece montato su una piattaforma omnidirezionale su ruote. La sua testa avrà una videocamera stereoscopica e un sistema strutturato di luci. Il sistema sarà dotato inoltre di sensori di prossi-mità e di campo e di sensori tattili. In Figura 2 viene il-lustrato lo stato di avanzamento della realizzazione del-la piattaforma sperimentale.

From Pizza to Human Care, the Skills of RoDyMan

son encounters in the preparation of a good pizza, having to manipulate of dough of flour and water, whose density and texture greatly vary.

Repeating a very complex moving functionTo understand the high challenge of RoDyMan from the scien-tific point of view we have to assume that today for a robot it is still difficult to reproduce human manual dexterity, even more when manipulating protean objects. Human dexterity to manipulate small objects - eventually changing in consistency and density– is the result of a long and complex neuromotor development. Suffice it to say that only at the age of three years a child is able to grasp an object with the thumb, index and middle fingers. Moving forward with the development of the child manipulative skills, a large improvement is due to self-training, which takes place spontaneously while the child plays, and with the repeated stimuli to manipulate objects of varying nature, texture and form by the educators. But we know that neuromotor development alone is not enough and that without training an individual cannot perform better than the manual skills belonging to his natural kit. Training is there-

Il robot umanoide eseguirà tutte le fasi di preparazione di una pizza, in quella che si preannuncia come una vera e propria “coreografia gastronomica”: un robot in grado di stendere l’impasto, di condirlo e di cuocerlo facendolo ruotare, come raffigurato in Figura 3.

La sfida è creare un robot di grande capacità manipolato-ria, al punto di riuscire a eseguire la preparazione di una pizza, dall’impasto alla cottura. Tenendo conto che l’im-pasto di una pizza è elastico, mobile, si modifica e varia con il tasso di umidità nell’aria, la cottura uniforme nel forno al legna è molto impegnativa. D’altro canto, fare la pizza è un’arte, un’abilità che appartiene alle mani dell’uomo. L’obiettivo non è quello di sostituirsi a ciò che è insostituibile come un bravo chef pizzaiolo napoletano, bensì quello di dimostrare come un robot possa arrivare a dei livelli di destrezza comparabili con quelli umani. La capacità di RoDyMan di entrare in relazione con gli esseri umani rappresenta il cuore del progetto. Il tema della sicurezza è dunque una delle caratteristiche fonda-mentali di questo nuovo sistema robotico: durante l’ese-cuzione di una missione, RoDyMan avrà capacità di rea-zione e apprendimento rispetto agli stimoli provenienti dall’ambiente con cui interagisce. Per questa ragione, il progetto prevede l’impiego di competenze relative non solo al campo dell’Ingegneria ma anche delle Scienze Co-gnitive e dell’Intelligenza Artificiale. E poiché RoDyMan è destinato a condividere con noi l’ambiente, saranno di fondamentale importanza il suo aspetto e il suo modo di agire. Questa considerazione vale per ogni robot che in-teragisca con gli esseri umani.

fore fundamental to the cultural evolution of object manipula-tion and is expressed with the “know-how”. Moreover, as Anaxagoras said: man is intelligent because of his hands. Meaning that it was his manipulative skills, and therefore transformation of himself and the environment, to make him what he is. Within the RoDyMan project therefore the problem arises of rep-licating in a machine a very complex motor function, which is the output of both a biological and a cultural evolution. It is also de-sired to reproduce the symmetry and harmony of a pizzaiolo’s movements. Will our robot succeed to make pizza, bake it, check the cooking and take it out of the owen at the proper time with the same dexterity and ability of a master chef? The technical problems are so complex that they would talk to a treaty. Simplifying as much as possible, we can say that only by exploit-ing and combining the dynamics of the object with that of the robot, the robot system can achieve the purpose of manipulating the object in the desired manner. In dynamic manipulation forces and accelerations play a significant role; these, together with the kinematics and static and quasi-static forces, allow obtaining a

complete description of the manipulation task. Moreover, non-prehensile manipulation of an object extends the common movements of rolling, launching, pushing, vaulting, etc. The complexity is further increased when considering malleable ob-jects malleable and robots on mobile platforms.

The relationship with human beings is the heart of the projectWith two agile arms and two anthropomorphic hands, RoDyMan will be able to manipulate flexible and deformable objects as the food we eat, the clothes we wear, and may have applications in surgery operating on soft tissues such as muscle and skin. The final demonstrator will be a humanoid robot with two arms and two hands with five fingers, a torso and a head. Devoid of legs, it will instead be mounted on a platform with omnidirectional wheels. Its head will have a stereoscopic camera and a structured light. The system will be further equipped with proximity sensors as well as field and tactile sensors. Figure 2 shows the state of progress of the realization of the experimental platform. The humanoid robot will perform all the steps of preparing a pizza in what promises to be a real “gastronomic choreography”: a robot that can roll out the dough, season it and cook it by ro-tating, as shown in Figura 3. The challenge is to create a robot of high manipulation ability, to the point of being able to perform the preparation of a pizza, from mixing to cooking. Taking into account that the dough of a pizza is elastic, in motion, changes shape and varies with the moisture in the air, the uniform cook-

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2. Piattaforma sperimentale del robot RoDyMan in costruzione.

2. Experimental platform of the RoDyMan robot under construction.

Un pizzaiolo per maestroTornando al problema dell’apprendimento occorre che RoDyMan impari l’arte del pizzaiolo come farebbe un qualsiasi allievo, ovverosia osservando più volte i movi-menti sicuri e densi di esperienza del suo maestro. Ma rispetto al migliore degli allievi umani questo robot avrà un vantaggio non trascurabile. Quello di poter memoriz-zare nel suo computer la grande mole di dati appresi nel corso dell’addestramento, senza correre il rischio di di-menticarli, e di elaborare in maniera intelligente le diver-se sequenze apprese, arricchendo la conoscenza e arri-vando ad assumere un comportamento (semi-)autonomo. Per la dimostrazione della manipolazione dinamica di una pizza, verrà coinvolto uno dei migliori pizzaioli na-poletani e il robot imparerà dunque direttamente da lui l’arte di questi abilissimi movimenti. Per apprendere avrà però bisogno di costruirsi una mappa dei movimenti del pizzaiolo, prendendo a riferimento alcuni punti precisi sul suo corpo. Per questa ragione si farà indossare al maestro una tuta biocinetica dotata di sensori e di un sistema di cattura del movimento 3D. Il robot avrà così i suoi punti di riferimento nello spazio e potrà costruire la mappa dei movimenti. Inoltre per riprodurre uno scenario realistico di un ambiente scarsa-mente strutturato, quale può essere un locale pubblico,

ing in the wood oven is very challenging task. On the other hand, making pizza is an art, a skill that belongs to human hands. The goal is not to replace what is irreplaceable as a good Neapolitan pizza chef, but to demonstrate how a robot can reach levels com-parable with human dexterity. The ability to RoDyMan to relate with humans is at the heart of the project. The issue of safety is therefore a key feature of this new ro-botic system: during the execution of a mission, RoDyMan will have capacity of reaction and learning compared to stimuli from the envi-ronment with which it interacts. For this reason, the project involves the use of skills related not only to the field of Engineering but also of Cognitive Science and Artificial Intelligence. And since RoDyMan is intended to share the environment with us, its appearance and way of acting will be of paramount importance. This consideration applies to each robot that interacts with humans.

A “pizzaiolo” as a teacher Going back to the issue of learning, RoDyMan shall learn the art of pizza as would any student, i.e. by repeatedly observing cer-tain movements dense of experience by his/her teacher. But com-pared to the best students, the robot will have a considerable advantage. It can store in its computer large amounts of data learned during the training, without risking to forget them, and intelligently elaborate the different sequences learned, enriching the knowledge base and attaining a (semi-autonomous behav-iour). To demonstrate the dynamic manipulation of a pizza, one of the best Neapolitan pizza chefs will be involved, and the robot

will learn from him the art of these skilled movements. To learn them, a map of the movements of the pizza chef with refer-ence to some specific points on his body needs to be built. For this reason he will wear a biokinetic suit equipped with sen-sors and a 3D motion capture system. The robot will thus have its points of reference in space and will be able to build a map of the movements. In addition to playing a re-alistic scenario of a poorly structured envi-ronment, such as a public space, the train-ing will take place directly in the chef’s pizzeria. From the gastronomic point of view, can a pizza prepared by a robot compete with one prepared by a pizzaiolo? Will we see new challenges be-tween man and robot as was the case for chess? Neapolitan piz-za is the result of a secular but evolving art, starting from the flour to the mixing techniques of the dough and the ingredients. Man will be beaten only when the robot will have the ability to summarize the art of many pizza chefs and snatch everyone’s right secret. Certainly a futuristic scenario, but in the meantime everything suggests that for at least the next ten years we can still choose which pizza to eat and which pizzaiolo to entrust our evening for the happiness of a food that is renewed for centuries, so far inimitable. nnn

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l’addestramento si svolgerà direttamente nella pizzeria del maestro. Dal punto di vista gastronomico, potrà una pizza prepara-ta da un robot competere con quella preparata da un pizzaiolo? Assisteremo a nuove sfide tra uomo e robot come è avvenuto per gli scacchi? La pizza napoletana è frutto di un’arte secolare, ma, soprattutto, è in continua evoluzione, a cominciare dalle farine per arrivare alle tec-niche di impasto e agli ingredienti. L’uomo sarà battuto solo quando il robot avrà la capacità di riassumere l’arte di numerosi pizzaioli messi insieme carpendo a ognuno il segreto giusto. Uno scenario futuribi-le, certo, ma intanto tutto lascia pre-vedere che per almeno i prossimi dieci anni potremo ancora scegliere quale pizza mangiare e a quale pizzaiolo af-fidare la nostra serata e la felicità di un cibo che si rinnova da secoli, sinora inimitato. nnn

Bruno Siciliano - Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Tecnologie dell’Informazione - Università di Napoli Federico II

3. Rendering of the RoDyMan robot while stretching, seasoning and baking a pizza.

3. Rendering del robot RoDyMan intento a stendere l’impasto di una pizza, condirlo e cuocerlo.