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Robot: cosa sono, come funzionano, modelli in commercio e applicazioni della robotica oggi

In questo servizio analizziamo cosa sono i robot, come si classificano, cosa sanno fare e per cosa vengono oggi utilizzati.

Robot - Alcuni esempi di robot vintage
Nicoletta Boldrini - @NicBoldrini

La definizione di robot può suonare un po’ riduttiva ma, di fatto, viene identificato come una macchina programmabile in grado di eseguire una serie di azioni/attività complesse al pari (o meglio) di un essere umano.

In questo servizio analizziamo cosa sono i robot, come si classificano, cosa sanno fare e per cosa vengono oggi utilizzati.

Cos’è un robot (definizione ed etimologia)

Nell’immaginario comune identifichiamo i robot come macchine hardware dotate anche di una componente software, in realtà oggi il termine robot afferisce anche alla branca degli agenti virtuali e di sistemi software come i chatbot, che più comunemente vengono chiamati bot, o i sistemi RPA – Robotic Process Automation (in sostanza macchine programmabili che non hanno la componente hardware).

L’origine del termine è legata allo scrittore ceco Karel Čapek il quale utilizzò la parola robot (su suggerimento del fratello Josef) per la prima volta nel 1920 nella commedia intitolata RUR (Rossumovi Univerzální Roboti – Universal Robots of Rossum) dove compariva un umanoide immaginario, identificato come robot  per richiamare la parola ceca robota, termine che letteralmente significava “lavoro degli schiavi” (lavoro che i servi dovevano offrire ai propri padroni per un periodo di tempo non pagati) ed in senso figurato richiamava il “lavoro forzato” (nell’accezione di lavoro pesante).

Un robot può essere autonomo o semi-autonomo a seconda delle sue capacità e funzionalità, può agire e/o muoversi in autonomia ed essere dotato di una “sistema di controllo” interno, può affiancare altri sistemi ed esseri umani, può essere semi-autonomo con un sistema di controllo remoto.

Guardando alle sue capacità/funzioni, un automa oggi potrebbe oggi essere definito come un sistema artificiale in grado di svolgere compiti e attività con differenti livelli di autonomia.

Definizione di robot

Riuscire a dare una definizione univoca e dire con fermezza cos’è un robot non è affatto semplice, forse anche perché la sua realizzazione, il suo funzionamento ed utilizzo coinvolgono molteplici discipline. Per realizzare un automa è necessario avere competenze di meccanica, elettronica, informatica, oggi confluenti nella cosiddetta ingegneria meccatronica ma per poterlo utilizzare in contesti sempre più complessi e con funzionalità e capacità sempre più avanzate (autonomia di azione, apprendimento automatico, capacità decisionale e di attuazione, ecc.) diventa necessario estendere conoscenze anche sul fronte dell’intelligenza artificiale e di materie legate a neuroscienze, psicologia, logica, matematica, biologia, fisiologia, linguistica e in modo indiretto anche a materie come filosofia, sociologia ed etica.

Proviamo allora a presentare alcune definizioni che, seppur differenti, racchiudono ognuna alcune peculiarità che possono aiutare a darne una definizione più o meno ampia.

Secondo l’enciclopedia Treccani “i robot, strutture meccano-elettriche versatili e adattabili a diverse situazioni, capaci di riprodurre varie attività elementari, rappresentano in un certo senso la materializzazione significativa e tangibile di un antico sogno dell’uomo. A essi l’uomo può trasferire l’esecuzione di attività ripetitive, faticose o pericolose, che richiedono rapidità di movimento, elevata precisione di posizionamento e ripetibilità di esecuzione”.

Secondo la definizione che ne ha dato la Società Italiana di Robotica Industriale (SIRI), “il robot è un manipolatore programmabile multiscopo per la movimentazione di materiali, di attrezzi e altri mezzi di produzione, capace di interagire con l’ambiente nel quale si svolge il ciclo tecnologico di trasformazione relativo all’attività produttiva”.

Una definizione “utile” è quella del professore Michael Brady fondatore del “Robotics Research Group” dell’Università di Oxford, che tuttavia descrive la robotica: “la robotica è la connessione intelligente tra percezione ed azione”.

Partendo da questo assunto potremmo allora dire che un robot è qualcosa che reagisce in modo intelligente a una situazione ambientale che rileva attraverso un sistema di sensori e questa sua reazione serve a raggiungere un determinato scopo.

Generazioni di robot: a cosa servono e cosa fanno

Ma a cosa può servire oggi un robot? In base alle loro capacità gli automi possono essere distinti in robot non autonomi e robot autonomi.

I robot non autonomi sono quelli che vengono “comandati” da un software, da un programma che definisce a priori che cosa deve fare la macchina, oppure direttamente da un essere umano (pensiamo per esempio a macchine radio e tele comandate).

Questi solitamente vengono impiegati per compiti molto specifici (dato che vengono programmati per poter svolgere determinate funzioni), si pensi per esempio ai Rover per l’esplorazione di Marte o ai robot utilizzati nelle produzioni industriali lungo le catene di montaggio. Si tratta di sistemi che riescono a svolgere le proprie funzioni, anche muoversi in ambienti ostili come i robot spaziali, perché “comandati” da un programma software deterministico (che definisce in che modo le macchine devono “muoversi”  e svolgere i propri compiti, spesso ripetitivi come quelli del ciclo produttivo).

I robot autonomi, al contrario, sono macchine artificiali con un certo grado di autonomia e riescono ad elaborare risposte, trovare soluzioni e risolvere problemi in situazioni impreviste (cioè non programmate dal software). Si tratta di macchine che solitamente non vengono programmate con soluzioni software deterministiche (tipiche dell’informatica tradizionale) ma con algoritmi utilizzati attraverso svariate tecniche di intelligenza artificiale (algoritmi genetici, logica fuzzy, apprendimento automatico, reti neurali). Sono sistemi solitamente mobili capaci di “percepire” l’ambiente circostante (attraverso vari sensori), di muoversi in differenti ambienti e di compiere azioni e prendere decisioni in funzione del contesto in cui si muovono ed operano.

Un esempio molto comune di questo tipo di automi sono i robot aspirapolvere o i robot da giardino che decidono quando partire, che tragitto compiere e quando ricaricarsi in modo autonomo.

La maturità dell’intelligenza artificiale rappresenta di fatto il drive principale per la nuova generazione di robot, quelli in grado di “sviluppare autonomamente” nuovi algoritmi per il proprio funzionamento.

I robot di prima generazione sono infatti macchine programmate capaci di eseguire solamente sequenze prestabilite di operazioni (anche senza la presenza dell’uomo ma comunque senza alcun “grado” di autonomia).

I robot di seconda generazione sono quelli autonomi capaci di svolgere funzioni e prendere decisioni attraverso l’apprendimento automatico (machine learning) che consente loro di affrontare anche situazioni non precedentemente definite dal software.

I robot di terza generazione sono quelli in grado di costruire nuovi algoritmi (senza l’intervento dell’uomo) e di verificarne in autonomia la coerenza rispetto ai compiti che deve svolgere o gli obiettivi che deve raggiungere.

Nota: per l’approfondimento sulla classificazione ed i modelli degli automi si rimanda ai capitoli successivi

Cos’è la robotica e come nasce (le origini del termine)

La robotica è un ramo della scienza legata alla tecnologia e alle discipline di ingegneria che si occupa di progettazione, sviluppo/costruzione, funzionamento ed applicazione di tutte le componenti di un robot (hardware, software, sensori).

Mentre il termine robot viene attribuito allo scrittore ceco Karel Čapek come derivazione dalla parola robota, l’origine del termine robotica viene attribuito ad Isaac Asimov, uno dei più importanti scrittori di fantascienza dalla cui penna sono nati i robot positronici e le tre leggi della robotica.

Secondo l’Oxford English Dictionary, Asimov parla di robotica per la prima volta nel 1941 in un racconto intitolato Bugiardo! (Liar! il titolo originale)

Definizione di robotica

Secondo l’enciclopedia Treccani con il termine robotica ci si riferisce a “quel settore delle scienze dell’ingegneria che ha per oggetto lo studio e la realizzazione dei robot”.

Wikipedia, la libera enciclopedia del web, offre questa definizione di robotica un po’ più estesa: “disciplina dell’ingegneria che studia e sviluppa metodi che permettano a un robot di eseguire dei compiti specifici riproducendo in modo automatico il lavoro umano. Anche se la robotica è una branca dell’ingegneria, più precisamente dell’ingegneria meccatronica, in essa confluiscono approcci di molte discipline sia di natura umanistica, come linguistica, sia scientifica: biologia, fisiologia, psicologia, elettronica, fisica, informatica, matematica e meccanica”.

Le leggi della robotica di Isaac Asimov

Le tre leggi della robotica hanno fatto la loro comparsa per la prima volta nel 1942 in un racconto di Isaac Asimov intitolato “Circolo vizioso”, pubblicato sulla rivista di fantascienza Astounding Science-Fiction. Questo racconto (ed i successivi), di fatto, contribuì a cambiare la narrativa fantascientifica dell’epoca trasformando la visione dei robot che, fino ai racconti di Asimov, erano visti e raccontati come esseri malvagi e pericolosi per l’uomo.

I robot positronici protagonisti delle storie nate dalla fantasia e dalla penna di Asimov, se progettati bene e non utilizzati impropriamente, non possono essere pericolosi o rischiosi per l’uomo perché rispondono ad alcuni principi di sicurezza (la prima legge della robotica), servizio (la seconda legge della robotica) e autoconservazione (la terza legge della robotica) con i quali si regolamentava il comportamento dei robot positronici (robot dotati di cervello positronico).

Ecco cosa dicono le tre leggi della robotica:

1) prima legge: un robot non può recar danno a un essere umano né può permettere che, a causa del suo mancato intervento, un essere umano riceva danno;

2) seconda legge: un robot deve obbedire agli ordini impartiti dagli esseri umani, purché tali ordini non vadano in contrasto alla prima legge;

3) terza legge: un robot deve proteggere la propria esistenza, purché la salvaguardia di essa non contrasti con la Prima o con la seconda legge.

Le tre leggi della robotica divennero presto molto popolari tanto da spingere altri scrittori ad utilizzarle, senza però mai citarle in modo chiaro (Asimov ne era geloso e le considerava le Sue Leggi), e a far addirittura quasi sparire la narrazione e le storie di robot distruttori.

In alcuni dei suoi ultimi racconti Asimov postula l’esistenza di una quarta legge, superiore per importanza alle altre tre denominata la Legge Zero.

Per approfondimenti suggeriamo la lettura del servizio “Isaac Asimov e le tre leggi della robotica”

Struttura e funzionalità dei robot

Gli automi sono sistemi sempre più complessi e classificarli sono in base alla loro generazione  (prima, seconda e terza generazione), o alla differenza tra robot autonomi e non autonomi, non è sufficiente.

Per capire che tipologia e modelli di automi esistono oggi (e che cosa potremo vedere in futuro in fatto di robotica), è necessario capire la struttura dei robot e quali sono le loro principali funzionalità. In linea di massima, hanno quattro “unità funzionali”, devono cioè essere visti come sistemi complessi che hanno “organi funzionali” differenti (organi meccanici, organi sensoriali, organi di controllo, organi di governo e calcolo).

Prima di vedere ciascuno di questi organi è bene ricordare la definizione di robotica fornita dal Robotic Institute of America (RIA): “un robot è un manipolatore multifunzionale e riprogrammabile, progettato per muovere materiali, parti, attrezzi o dispositivi specialistici attraverso movimenti programmati variabili, per l’esecuzione di una varietà di compiti. Un robot acquisisce inoltre informazioni dall’ambiente e si muove in modo intelligente di conseguenza”.

Struttura meccanica (organi meccanici o funzionalità meccaniche)

Guardando alla definizione di robotica fornita dal Robotic Institute of America, la struttura meccanica di un robot rappresenta il “manipolatore multifunzione”. In realtà questo vale più che altro per la robotica industriale perché se si guarda alla robotica di servizio (di cui parleremo nei successivi capitoli), la struttura meccanica corrisponde al sistema di movimento e locomozione del robot.

Gli organi meccanici, infatti, si distinguono tra apparati per compiere operazioni e attività in un posto fisso oppure apparati in grado di spostarsi. Se volessimo fare un parallelismo con gli organi di movimento degli esseri umani (anche se per certe tipologie di robot può sembrare un po’ azzardato), divideremmo gli organi meccanici in arti superiori (bracci meccanici per lo più, comprese però le estensioni cosiddette end-effector, cioè gli attrezzi come pine e mani robotiche per la manipolazione) e arti inferiori (non necessariamente “gambe meccaniche”, oggi appannaggio dei robot più sofisticati, ma organi meccanici come ruote, rotelle, slitte o sistemi di cinematica).

Struttura sensoriale

I sistemi robotici sono dotati di una capacità sensoriale che permette loro di “percepire” il contesto in cui operano. Non si tratta di sensazioni umane, naturalmente, ma di una struttura sensoriale che consente al robot di acquisire dati, sia sullo stato interno della struttura meccanica (sensori propriocettivi che permettono al robot di “percepire”, per esempio, posizione e velocità), sia sull’ambiente esterno circostante (sensori esterocettivi che fanno percepire, per esempio, forza e prossimità e danno al robot una visione artificiale).

Struttura di controllo (organi di controllo dei robot)

Gli organi di controllo fanno da connettori tra percezione ed azione e sono i sistemi che garantiscono che il robot compia le attività per cui è stato sviluppato e/o viene impiegato con il grado di precisione e forza programmati.

La struttura di controllo è data da attuatori (motori elettrici, sistemi idraulici o pneumatici, ecc.) e algoritmi di controllo (per il pilotaggio degli attuatori).

Struttura di governo (organi di memorizzazione e calcolo)

In questo caso ci si riferisce ai sistemi che consentono di programmare, calcolare, verificare le attività ed il lavoro svolto dalle macchine robotizzate. La struttura di governo e calcolo è solitamente costituita da sistemi hardware (microprocessori, memorie, ecc.) e sistemi software (programmi applicativi, algoritmi di calcolo codificati in linguaggi di programmazione, standard o dedicati).

Architettura software e programmazione

L’unità di governo deve gestire le operazioni che deve svolgere il sistema robotico sulla base di un modello interno dell’automa (la sua struttura meccanica) e dei dati forniti dai sensori. Per avere un efficace sistema di governo, l’architettura di controllo dovrebbe essere ripartita in livelli gerarchici con alla base gli algoritmi che determinano i segnali degli attuatori e sul gradino più alto della scala gerarchica la decomposizione del compito da svolgere in attività (con il più elevato grado di astrazione possibile). In una struttura gerarchica di questo tipo, ciascun livello invia il risultato della propria computazione al livello sottostante, dal quale è comunque retroattivamente influenzato.

Guardando invece alla programmazione di un sistema robotico, tre sono gli approcci principali:

Teaching-by-showing: il robot viene guidato lungo un percorso e apprende le posizioni raggiunte grazie ai sensori; in seguito, si limita a replicare quella sequenza di posizioni;

Robot-oriented: vi è un linguaggio di programmazione ad alto livello con strutture dati complesse, variabili, routine;

Object-oriented: come nel precedente, solo che il linguaggio è orientato agli oggetti.

Tra gli organi di calcolo oggi ci sono anche algoritmi e tecniche di intelligenza artificiale che contribuiscono a elevare il livello di indipendenza dei robot autonomi (per esempio attraverso il machine learning).

Movimento dei robot: analisi cinematica e analisi dinamica

Come abbiamo visto, un robot è un sistema complesso che presenta una struttura meccanica articolata. Affinché quindi il suo funzionamento sia adeguato alle attività che deve compiere il suo “comportamento” (movimento, funzionamento) deve essere schematizzato in un modello matematico che tiene conto dei legami di causa-effetto tra i vari organi costituenti (organi meccanici, organi sensoriali, organi di controllo).

Questi modelli matematici possono riguardare l’analisi cinematica e l’analisi dinamica del moto del robot.

Analisi cinematica, ossia la descrizione quantitativa del moto di un robot (indipendentemente dalle cause del moto stesso). Va però fatta una distinzione tra cinematica e cinematica differenziale: la prima si occupa dei legami che intercorrono tra i parametri interni del robot (le sue parti meccaniche) e la loro posizione e/o orientamento che incidono sul movimento; la seconda invece definisce le relazioni dipendenti dalla velocità (per descrivere il moto del robot in maniera più dettagliata).

Analisi dinamica, ossia lo studio del moto dell’automa a partire dalle sue cause cioè delle circostanze che lo determinano e lo modificano. Come abbiamo visto ad incidere sul moto sono gli attuatori (organi di controllo) che garantiscono al sistema robotico la potenza necessaria a svolgere un compito o un’attività, ma anche in questo caso bisogna distinguere tra dinamica e dinamica inversa: la prima serve per il calcolo delle accelerazioni dei componenti di un robot in funzione delle forze di attuazione, la dinamica inversa ricerca metodi per determinare le forze di attuazione che consentono di raggiungere le accelerazioni desiderate. 

DOF (degrees of freedom), cosa sono i gradi di libertà dei robot

In fisica i gradi di libertà di un sistema meccanico rappresentano il numero di parametri indipendenti che ne definiscono la configurazione (e la complessità). In altre parole, è il numero di parametri che determinano lo stato di un sistema fisico, misurazione molto importante per l’analisi di sistemi di corpi in ingegneria meccanica, ingegneria aeronautica, robotica e ingegneria strutturale.

Se applicati alla robotica, i gradi di libertà esprimono il livello di sofisticazione e complessità tecnologica di un robot. In particolare, con un semplice numero i gradi di libertà di un robot ne definiscono le sua capacità di movimento: tanto più è elevato il numero che stabilisce i gradi di libertà, tanto più il robot è tecnologicamente avanzato nei suoi movimenti.

Robot umanoidi e animali robot (robot che si ispirano, anche nelle fattezze, ad esseri umani o ad animali) solitamente hanno un discreto grado di libertà, generalmente superiore a 20.

iCub il robot bambino dell'IITPer capire come vengono “calcolati” i gradi di libertà di un robot prendiamo come esempio uno dei robot umanoidi tecnologicamente più avanzati, iCub, il robot sviluppato dall’Istituto Italiano di Tecnologia (l’IIT di Genova).

Partendo dalla definizione classica di gradi di libertà, sappiamo che il numero di gradi di libertà di un punto materiale è il numero di variabili indipendenti necessarie per determinare univocamente la sua posizione nello spazio (cioè le sue coordinate). Ne desumiamo che il numero di gradi di libertà di un sistema è pari a quello del numero di coordinate generalizzate necessario a descrivere il suo moto.

Perciò, un punto che si muove in uno spazio tridimensionale, ha tre gradi di libertà (è libero cioè di muoversi avanti/indietro, su/giù, sinistra/destra), un punto che si sposta su un piano ha due gradi di libertà.

Nella robotica industriale, in particolare i robot antropomorfi (bracci robotici), solitamente hanno un minimo di sei gradi di libertà perché oltre alla possibilità di muoversi in uno spazio tridimensionale (quindi con tre gradi di libertà), possono ruotare lungo tre assi perpendicolari (avendo quindi 3 ulteriori gradi di libertà).

Fatte queste doverose e necessarie premesse, veniamo al “piccolo” iCub, un robot che raggiunge i 53 gradi di libertà, che derivano da:

  • 7 gradi di libertà per ogni braccio robotico;
  • 9 gradi di libertà per ogni mano robotica (3 per il pollice, 2 per l’indice, 2 per il dito medio, 1 per l’anello

accoppiato e il dito mignolo, 1 per l’abduzione);

  • 6 gradi di libertà per ogni gamba robotica;
  • 6 gradi di libertà per i movimenti della testa;
  • 3 gradi di libertà per il torace e la colonna vertebrale.

La varie tipologie di robot

Come accennato nei capitoli precedenti, i robot sono macchine (più o meno antropomorfe, cioè che presentano sembianze umane nelle funzionalità e nei movimenti ma anche, quando parliamo di umanoidi, nell’aspetto) in grado di svolgere in modo più o meno autonomo un lavoro al posto dell’uomo e sono sistemi ormai sempre più complessi (spesso chiamati anche umanoidi o androidi).

Per capire la differenza tra le varie generazioni di robot e approfondire le peculiarità di robot autonomi e non autonomi rimandiamo alla lettura del capitolo “Generazioni di robot: a cosa servono e cosa fanno”.

In questo capitolo approfondiamo quali sono le varie tipologie di robot sottolineando le differenze tra antropomorfi umanoidi e androidi.

Robot antropomorfi, umanoidi e androidi, le differenze

Braccio robotico

Gli antropomorfi sono sistemi robotici che riescono ad emulare alcune abilità dell’essere umano come il movimento di gambe e braccia, la percezione e lo spostamento in ambienti fisici. In questa categoria di robot di fatto rientrano sia gli umanoidi sia gli antropomorfi intesi come sistemi di robotica industriale (tipicamente i cosiddetti bracci robotici utilizzati nel settore industriale lungo le linee produttive).

 

NAO robot

Gli umanoidi sono invece robot autonomi dalle sembianze umane (assomigliano agli esseri umani perché hanno un corpo con testa, braccia e gambe o rotelle che ricordano la fisicità delle persone, anche se sono chiaramente riconoscibili come robot). La ricerca sta sviluppando automi umanoidi sempre più sofisticati con avanzate tecnologie che conferiscono a queste macchine capacità cognitive e sensoriali.

 

Sophia robot

Gli androidi sono sempre robot umanoidi (di fatto vengono spessissimo usati come sinonimi) anche se si tende a far “confluire” in questa categoria i sistemi robotici che non solo somigliano agli essere umani ma ne replicano anche le fattezze sembrando a tutti gli effetti delle persone.

 

 

 

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