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Ministero dell Istruzione, dell Università e della Ricerca
DIPARTIMENTO PER LA PROGRAMMAZIONE IL COORDINAMENTO E GLI AFFARI ECONOMICI - SAUS
PROGRAMMI DIRICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE
RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (DM n. 21 del 20 febbraio 2003)
PROGRAMMA DI RICERCA - MODELLO A
Anno 2003 - prot. 2003090934
1.1 Programma di Ricerca di tipo
Interuniversitario
Area scientifico disciplinare Ingegneria industriale e dell'informazione (100%)
1.2 Titolo del Programma di Ricerca
Testo italiano
DRIVING
Distribuire la Robotica Integrando Visione, Intelligenza, Navigazione e Guida
Testo inglese
DRIVING
Distributed Robotics: Integrating Vision, Intelligence, Navigation and Guidance.
1.3 Abstract del Programma di Ricerca
Testo italiano
L’obiettivo di questo progetto di ricerca e’ quello di coordinare lo sforzo di una larga parte della comunita’ nazionale di robotica
verso la realizzazione di sviluppi significativi nel campo dei sistemi robotici distribuiti. Si intendono con questo termine sistemi in
cui le diverse risorse - sensori, attuatori, intelligenza, controllo, etc. - sono divise tra multipli agenti, che concorrono in relativa
autonomia a raggiungere lo stesso scopo.
L’idea della cooperazione tra piu’ agenti nell’esecuzione di compiti complessi ha ricevuto grande attenzione dalla comunita’ robotica
a causa dei potenziali vantaggi che questa offre, tra cui:
• l’efficienza nell’esplorazione: una squadra di robot può esplorare un dato numero di posizioni in un ambiente sconosciuto con una
efficienza molto più elevata rispetto ad un singolo agente;
• l’efficacia nel posizionamento: più robot utilizzati vicendevolmente come punti di riferimento possono garantire un drastico
aumento di accuratezza nella localizzazione anche allontanandosi da riferimenti strutturali fissi;
• l’esecuzione simultanea di compiti: agenti diversi di una squadra possono svolgere compiti diversi in contemporanea riducendo così
il tempo totale della missione;
• l’esecuzione collaborativa di compiti: più robot di una squadra possono cooperare durante l’esecuzione di compiti che prevedono il
carico e/o lo spostamento di oggetti più pesanti o più ingombranti rispetto a quelli che può gestire un singolo robot.
• robustezza ai guasti: la ridondanza di robot in una squadra riduce la criticità di possibili malfunzionamenti di altri componenti.
Le difficoltà che hanno sinora frenato l’applicazione di sistemi robotici distribuiti sono sia di natura metodologica che tecnologica:
• ogni signolo robot di una squadra formata da n agenti dovrebbe attingere a non piu’ dell’n-esima parte delle risorse totali (costo,
peso, banda passante, ecc.) a disposizione per il particolare compito, potendo quindi risultare molto meno prestante individualmente
di un un sistema a singolo robot;
• i problemi di allocazione delle risorse e delle architetture sono molto sensibili riguardo alla sensorizzazione, alla potenza
computazionale e allo spazio memoria disponibile;
• e’ necessario trovare un giusto bilanciamento tra la decentralizzazione e la coordinazione in tutti i compiti, tra cui la fusione
sensoriale, la localizzazione, la costruzione di mappe e la navigazione;
• la necessità di scambio di informazione tra gli agenti richiede la disponibilità di un sistema di comunicazione cellulare tra robot che
abbia appropriate tecnologie e protocolli di comunicazione, in modo da garantire una sufficiente connettività e banda passante.
Il nostro lavoro riguardera’ lo studio di questi problemi e determinera’ la fattibilita’ di sistemi robotici distribuiti con particolare
riguardo a:
• Architetture multisensori per il comando ed il controllo di robot mobili;
• Diagnosi e controllo tollerante ai guasti di robot autonomi;
• Asservimenti visivi per sistemi robotici distribuiti;
• Controllo coordinato e navigazione di sistemi multi-robot in ambienti non strutturati;
• Locomozione Robotica: Progetto, Pianificazione e Controllo;
• Localizzazione e Simultanea Costruzione di Mappe per l'Asservimento e per il Controllo;
• Integrazione sensoriale per la mobilità assistita di sistemi robotici.
Per dare una valutazione oggettiva di quanto questi fattori siano importanti, si procederà ad uno studio teorico del problema e allo
sviluppo di algoritmi per lo sfruttamento ottimale delle capacita’ dei sistemi distribuiti. Per dare invece una valutazione della
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PARTE I
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praticabilità delle soluzioni proposte, integreremo il nostro sforzo verso l’implementazione di una applicazione per l’assistenza a
persone disabili.
Testo inglese
The goal of this research program is to coordinate the efforts of a large part of the national robotics community towards the
accomplishment of significant advances in distributed robotic systems. Distributed systems are regarded as multi-agent systems
integrating different sensorial sources with intelligent navigation, planning, guidance and control; interaction with human agents are
also envisioned in shared-control applications.
The idea of cooperation among multiple agents in executing complex tasks has attracted wide attention in the robotics communities
due to the potentials offered, as regarding e.g.:
· efficiency of exploration: a team of robots can explore a number of assigned locations in an unknown environment with an
efficiency orders of magnitude larger than a single rover;
· effectiveness in positioning: as rovers get farther from the initial configurations, their localization (in the absence of global
positioning systems) gets less and less accurate. Usage of multiple robots acting as active beacons for each other allows
implementation of a local positioning systems (LPS), with dramatic increase of localization accuracy;
· concurrent execution of tasks: different robots in the team can attend to different tasks at the same time, thus reducing total mission
time;
· cooperative execution of tasks: several robots of the team may cooperate in tasks involving heavier or wider loads than each single
robot may manage;
· robustness to failures: redundancy in the team reduces criticality of malfunctioning of any component of the team.
Difficulties that hindered application of distributed robot systems in applications are of both methodological and technological
nature:
· each robot of an n-agent team should use up no more than the n--th part of the overall resources (cost, weight, bandwith, etc.)
allowed for the task, thus resulting individually less performant than typical single-robot systems;
· architecture and resource allocation problems are very sensitive in many respects, including choices on sensorization, computational
power and data storage;
· tradeoffs between decentralization and coordination must be seeked in all tasks, including sensor fusion, localization, map building,
navigation;
· information exchange among agents calls for the design of a cellular communication system between robots, with suitable
technology and protocols to guarantee connectivity and bandwidth.
Our work will address these problems, and determine the feasibility of distributing robotic systems under the following regards:
· Multisensor architectures for guidance and control of mobile robots;
· Diagnosis and fault tolerant control of autonomous robots;
· Visual servoing for distributed robotics;
· Coordinated control and navigation of multi-robot systems in unstructured environments;
· Robotic locomotion: design, planning and control;
· Simultaneous Localization And Mapping for Servoing;
· Sensory integration for assisted mobility of robotic systems.
To quantitatively establish these factors, we will investigate the problem theoretically and provide state-of-the-art algorithms for
optimal exploitation of the capabilities of the distributed system. To establish the practicality of these results, we will integrate our
efforts towards the implementation of applications aimed at assistive systems for disabled persons.
1.4 Durata del Programma di Ricerca
24 Mesi
1.5 Settori scientifico-disciplinari interessati dal Programma di Ricerca
ING-INF/04 - Automatica
1.6 Parole chiave
Testo italiano
ROBOTICA MOBILE ; VEICOLI AUTONOMI ; PIANIFICAZIONE DEL MOTO ; ASSERVIMENTO VISUALE ;
LOCALIZZAZIONE E COSTRUZIONE DI MAPPE ; SQUADRE DI ROBOT ; INTEGRAZIONE DI SENSORI ; DIAGNOSI E
TOLLERANZA AI GUASTI ; MOBILITA` ASSISTITA
Testo inglese
MOBILE ROBOTICS ; AUTONOMOUS VEHICLES ; MOTION PLANNING ; VISUAL SERVOING ; MAP BUILDING AND
LOCALIZATION ; ROBOTS TEAMS ; SENSOR FUSION ; FAULT DIAGNOSIS AND TOLERANCE ; ASSISTED MOBILITY
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PARTE I
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1.7 Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca
BICCHI
ANTONIO
Professore Ordinario
01/06/1959
BCCNTN59H01G870P
ING-INF/04 - Automatica
Università di PISA
Facoltà di INGEGNERIA
Dipartimento di SISTEMI ELETTRICI E AUTOMAZIONE
050/554134
(Prefisso e telefono)
050/550650
(Numero fax)
[email protected]
(Email)
1.8 Curriculum scientifico
Testo italiano
Antonio Bicchi e' Professore Straordinario (ING-INF04-Automatica), presso la Facolta' di Ingegneria di Pisa. Dopo il Dottorato di
Ricerca (Univ. di Bologna, 1988), e' stato visiting scientist presso il MIT (Cambridge, MA, USA, 1988-1991). Dal 1991 coordina le
attivita' di Automazione e Robotica presso il Centro Interdip. di Ricerca ``E. Piaggio'' della Università di Pisa, in cui si svolgono
ricerche interdisciplinari in Automazione e Bioingegneria.
Attivita' e riconoscimenti:
* Membro dell'"Advisory Committee" della "IEEE Society of Robotics and Automation"
* Presidente del Comitato Tecnico della "IEEE Control Systems Society" per "Manufacturing, Automation and Robotics";
* Associate Editor dell'Int. Journal of Robotics Research, della IEEE Robotics and Automation Magazine, delle IEEE Transactions
on Robotics and Automation (1996-2000), di Applied Mathematics and Computer Science (1996-2001);
* Organizzatore del IEEE CSS/RAS Workshop "Control Problems in Robotics", Las Vegas dicembre 2002, e dell' Int. Workshop on
Mathematical Control Theory and Robotics, Trieste 2000;
* Responsabile della ricerca in molti contratti nazionali e internazionali, tra cui sono in corso un progetto ASI sul tema della
esplorazione cooperativa robotica ("TEMA") ed un progetto europeo IST ("RECSYS") su Real-time Embedded Control for Mobile
Systems.
* E' autore di circa 150 lavori su rivista, libro e atti di conferenze revisionate e pubblicate, e di 4 Brevetti Industriali.
Testo inglese
ANTONIO BICCHI is Professor of Robotics at the School of Engineering, Univ. of Pisa. After his Ph.D. (Univ. Bologna, 1988), he
has been with MIT (Cambridge, MA, USA, 1988-1991) and with the Interdept. Research Center ``E. Piaggio'',Univ. Pisa. His
research interests are in Automatic Control and Robotics. At Centro Piaggio, where an interdisciplinary research agenda in
Automation and Bioengineering is brought forward, he is in charge of the Automation and Robotics group, and Associate Director.
Among his activities are:
* Member of the Advisory Committee, IEEE Society of Robotics and Automation;
* Chairman, IEEE Control Systems Society Technical Committee on Manufacturing, Automation and Robotics
* Associate Editor, Int. Journal of Robotics Research, IEEE Robotics and Automation Magazine, IEEE Transactions on Robotics and
Automation (1996-2000), Applied Mathematics and Computer Science (1996-2001)
* Program Chairman, IEEE-RAS/CSS joint Workshop on Control Problems in Robotics, Las Vegas, December 2002, and Int.
Workshop on Mathematical Control Theory and Robotics (2000);
* Principal Investigator of several national and international grants, including one EC IST project (RECSYS: Real-Time Embedded
control for Mobile Systems) and one from the Italian Space Agency (TEMA: Team-Based Exploration by Mobile Agents).
He is author of ca. 150 papers in international journals, books, and edited proceedings, and holds 4 patents.
1.9 Pubblicazioni scientifiche più significative del Coordinatore del Programma di Ricerca
1.
L. PALLOTTINO; E. FERON; BICCHI A. (2002). Conflict Resolution Problems for Air Traffic Management Systems
Solved with Mixed Integer Programming IEEE TRANSACTIONS ON INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS. (vol.
3-1 pp. 3-11)
2.
MURRIERI P.; FONTANELLI D.; BICCHI A. (2002). Visual-servoed parking with limited view angle
In SICILIANO B.; DARIO P. Experimental Robotics VIII. vol. 5 pp. 254-263: Sprimger Verlag
3.
LORUSSI F.; MARIGO A.; BICCHI A. (2001). Optimal exploratory paths for a mobile rover IEEE Int. Conf. on Robotics
and Automation. pp. 2078--2083
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PARTE I
4.
P. SOUERES; A. BALLUCHI; BICCHI A. (2001). Optimal feedback control for line tracking with a bounded--curvature
vehicle INTERNATIONAL JOURNAL OF CONTROL. (vol. 74-10 pp. 1009-1019)
5.
BICCHI A.; CHRISTENSEN H; PRATTICHIZZO D. (2002). Control Problems in Robotics vol. 4 STAR, Springer Tracts in
Advanced Robotics. BERLIN HEIDELBERG: Springer Verlag
1.10 Elenco delle Unità di Ricerca
nº
Responsabile
Scientifico
Qualifica
Settore
Disc.
Università
Dipartimento/Istituto
Mesi
Uomo
1. BICCHI ANTONIO
Professore
Ordinario
ING-INF/04 PISA
SISTEMI ELETTRICI E
AUTOMAZIONE
14
2. CHIAVERINI
STEFANO
Professore
Ordinario
ING-INF/04 CASSINO
AUTOM. ELETTROM. ING. DELL'
INF. E MAT. IND.
12
3. FREZZA RUGGERO
Professore
Associato
ING-INF/04 PADOVA
INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE
12
4. LONGHI SAURO
Professore
Ordinario
ING-INF/04 Politecnica delle
Marche
ELETTRONICA ED AUTOMATICA
12
5. ORIOLO GIUSEPPE Professore
Associato
ING-INF/04 ROMA "La
Sapienza"
INFORMATICA E SISTEMISTICA
12
6. PRATTICHIZZO
DOMENICO
Professore
Associato
ING-INF/04 SIENA
INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE
11
7. VILLANI LUIGI
Professore
Associato
ING-INF/04 NAPOLI
INFORMATICA E SISTEMISTICA
12
1.11 Mesi uomo complessivi dedicati al programma
Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca
Personale universitario di altre Università
Titolari di assegni di ricerca
Titolari di borse dottorato e post-dottorato
Personale a contratto
Personale extrauniversitario
TOTALE
MIUR - BANDO 2003
Numero Mesi Uomo
35
241
44
227
4
21
18
140
17
144
0
0
118
773
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PARTE II
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2.1 Obiettivo del Programma di Ricerca
Testo italiano
In molti settori applicativi, si sta assistendo ad una crescente tendenza verso la decentralizzazione delle risorse e delle capacità
decisionali. A seconda dei settori, la terminologia usata per indicare diversi tipi di organizzazione di sistemi distribuiti usa termini
disparati quali plotoni (di automobili), formazioni di volo (per aeroveicoli), costellazioni (di satelliti artificiali), volo-libero (per le
politiche di controllo del traffico aereo), sciami (di dispositivi micromeccanici), multi-agente (per sistemi autonomi), e altri ancora.
Sistemi multi-robot sono sempre più frequentemente usati per compiti quali ad es. l'esplorazione, la ricerca e il salvataggio, e
l'intrattenimento (giochi di squadra e competizioni di robot). Tutte queste applicazioni possono essere considerate come diverse
istanze dello stesso paradigma emergente, al quale ci riferiremo nel seguito come il robot distribuito, paradigma nel quale le diverse
risorse (sensori, attuatori, canali di comunicazione, ...) e capacità (navigazione, pianificazione, guida, controllo, ...) sono assegnati a
unità fisicamente separate, ma coordinate al raggiungimento di uno stesso scopo.
Le molte sfide aperte da questi sistemi, che sono discusse in dettaglio altrove in questa proposta, coinvolgono problemi e
metodologie che abbracciano una varietà di settori di ricerca, come l'automatica, la informatica, le telecomunicazioni, l'elettronica
industriale, la logistica dei sistemi di trasporto, etc. La varietà degli approcci e la conseguente babele di linguaggi, per quanto
necessaria e in qualche misura benefica negli stadi iniziali della ricerca, è in questo stadio un fattore di impedimento alla integrazione
sinergica dei molti contributi teorici, algoritmici e tecnologici.
L'obiettivo più ambizioso di questo progetto è quello di contribuire a un approccio sistemistico, per quanto possibile ampio e
unificante, alla robotica distribuita. E' nostra convinzione che il consorzio proponente, che include un vasto spettro di competenze ma
al contempo condivide un approccio sistemistico ai problemi, può fornire un valido contributo in questa direzione, che andra'
utilmente ad integrarsi con le metodologie messe a punto in diversi settori scientifici, secondo la natura tipicamente multidisciplinare
propria della ricerca robotica.
ORGANIZZAZIONE
Puntiamo con questo programma a sviluppare quei metodi e quelle tecnologie che sono stati individuati come indispensabili per la
robotica distribuita, e che abbiamo suddiviso in sette sotto-aree di ricerca. Conformemente, si propone di suddividere il lavoro di
ricerca in sette compiti (work-packages), ciascuno sotto la diretta responsabilità di uno dei partner:
WP1: MUSTANG (Architetture multisensori per il comando ed il controllo di robot mobili)
Cordinatore: Università di Padova - UNIPD, http://www.dei.unipd.it/
(con la partecipazione di Univ. di Bologna e Univ. di Verona)
Personale: R. Frezza (P.I.), A. Beghi, P. Fiorini, R. Oboe
Obiettivi princpali:
a) Integrazione di sensori
b) Interfacce Uomo-Macchina
c) Visione Computazionale
WP2: TOLER (Diagnosi e controllo tollerante ai guasti di robot autonomi)
Cordinatore: Università di Napoli Federico II- UNINA, http://disna.dis.unina.it/prisma
(con la partecipazione di Univ. di Salerno e Univ. di Basilicata)
Personale: L. Villani (P.I.), F. Basile, F. Caccavale, G. Celentano, P. Chiacchio, R. Iervolino, B. Siciliano
Obiettivi princpali:
a) Diagnosi e tolleranza dei guasti
b) Interazione sicura
c) Riconfigurabilità
WP3: VISE (Asservimenti visivi per sistemi robotici distribuiti)
Cordinatore: Università di Siena - UNISI, http://www.dii.unisi.it
(con la partecipazione di Univ. di Torino e Univ. di Genoa)
Personale: D. Prattichizzo (P.I.), F. Barbagli, B. Bona, G. Calafiore, G. Casalino, A. Garulli, M. Indri, A. Vicino
Obiettivi princpali:
a) Asservimento visuale
b) Integrazione di sensori
c) Squadre di robot
WP4: MULTIR (Controllo coordinato e navigazione di sistemi multi-robot in ambienti non strutturati)
Cordinatore: Università di Cassino - UNICAS, http://webuser.unicas.it/lai
(con la partecipazione di Univ. di Roma-3 e Univ. di Palermo)
Personale: S. Chiaverini (P.I.), F. Alonge, G. Antonelli, F. D'Ippolito, G. Figalli, G. Fusco, S. Panzieri, F. M. Raimondi, T.
Raimondi, G. Ulivi
Obiettivi princpali:
a) Controllo coordinato di robot mobili
b) Sistemi Multi-Robot
c) Fusione Sensoriale
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WP5: LOCOM (Locomozione Robotica: Progetto, Pianificazione e Controllo)
Cordinatore: Università di Roma La Sapienza - UNIROMA1 http://labrob.ing.uniroma1.it/
(con la partecipazione di Univ. di Catania e Polit. di Milano)
Personale: G. Oriolo (P.I.), A. De Luca, G. Ferretti, L. Lanari, A. Leva, G. A. Muscato, G. Nunnari, M. Vendittelli
Obiettivi princpali:
a) Locomozione robotica
b) Pianificazione del moto
c) Controllo del moto
WP6: SLAMS (Localizzazione e Simultanea Costruzione di Mappe per l'Asservimento e per il Controllo)
Cordinatore: Università di Pisa UNIPI, http://piaggio.ccii.unipi.it/
(con la partecipazione di Univ. di Cagliari e Univ. di Lecce)
Personale: A. Bicchi, G. Bartolini, A. Caiti, M.L. Corradini, G. Indiveri, E. Usai
Obiettivi princpali:
a) Localizzazione
b) Costruzione di Mappe
c) Asservimento Visuale
WP7: MOBIL (Integrazione sensoriale per la mobilità assistita di sistemi robotici)
Cordinatore: Università Politecnica delle Marche UNIVPM, http://www.ee.unian.it/
(con la partecipazione di Univ. di Roma-2 e Univ. di Perugia)
Personale: S. Longhi (P.I.), G. Conte, A. Ficola, L. Jetto, M. La Cava, T. Leo, L. Menini, G. Orlando, A. M. Perdon, A. Tornambè,
L. Zaccarian, S. M. Zanoli
Obiettivi princpali:
a) Mobilita' assistita
b) Domotica
c) Robotica assistiva
Le relazioni tra i sette temi di DRIVING sono rappresentate dal seguente grafo in cui un arco diretto dal WP i al WP j significa che i
risultati ottenuti nel WP i sono fondamentali per la ricerca svolta nel WP i:
Fig. 1
La seguente tabella riassume come i diversi gruppi di ricerca interagiscono e contribuiscono ai diversi temi (la lettera "C" indica il
Coordinatore, "P" il Partecipante):
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PARTE II
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Fig. 2
RISULTATI ATTESI
Studieremo il problema da un punto di vista teorico e forniremo algoritmi attuali ed efficienti per lo sfruttamento ottimale delle
potenzialità dei sistemi distribuiti. Per dare invece una valutazione dell’aspetto pratico di questi fattori, orienteremo il nostro sforzo
verso l’implementazione integrata di applicazioni che abbiano come scopo primario l’assistenza a persone disabili.
Realizzeremo una rete tra i vari laboratori coinvolti nel progetto, offrendone l'accesso in modo virtuale. Forniremo in particolare un
aggiornamento in linea dello stato dell'arte e in alcuni casi anche un accesso remoto ai dispositivi sperimentali (una pagina
provvisoria è già disponibile all'indirizo http://www-lar.deis.unibo.it/driving).
Organizzeremo almeno un incontro sulla robotica distribuita che si terrà presumibilmente durante il dodicesimo mese del progetto.
L’evento sara’ strutturato come un workshop con eventuale pubblicazione degli atti.
Verrà considerata la possibilità di divulgare i risultati del progetto attraverso una monografia, per la cui pubblicazione si occuperebbe
il coordinatore del progetto, su "Distribuire la Robotica Integrando Visione, Intelligenza, Navigazione e Guida - Un Approccio
Sistemistico" che includa i contributi sui principali temi di ricerca in forma di capitoli scritti dai responsabili locali delle unità. Il fine
ultimo del testo sarebbe quello di fornire un autorevole riferimento per gli studenti e gli utenti della robotica distribuita negli anni a
venire.
Testo inglese
In many applications domains we are currently witnessing a growing trend towards decentralization of resources and decisional
capabilities. Depending on the domain, terms used to describe different sorts of distributed systems include platoons (of
automobiles), formations (of airplanes), constellations (of artificial satellites), free-flight (for traffic control policies), swarms (of
micro-mechanical devices), multi-agent (of autonomous systems), and others. Multi-robot systems are more and more often used e.g.
for exploration, search and rescue, and entertainment (team games and competitions). All the above can be regarded as different
instances of an emerging paradigm, which we will refer to as the distributed robot, whereby different resources (sensors, actuators,
communication channels) and capabilities (navigation, planning, guidance and control) are allocated to physically separated, but
coordinated entities.
The many challenging problems opened by these systems, discussed in detail elsewhere in this proposal, involve questions and
methods that encompass a variety of research fields, including automatic control, computer science, industrial electronics,
telecommunications, logistics. The variety of approaches and the babel of languages, though necessary and to some extent
proficuous at the early stages of research, is by now effectively hindering the synergistic integration of the many different theoretical
advances, algorithms, and technologies.
Our most ambitious goal in this project is to provide a comprehensive, systemistic approach to the analysis and control of distributed
robotics. We believe that the proposing consortium, which encompasses a broad spectrum of expertises but shares a uniform
system-theoretic approach to problems, can be of value to this purpose, providing results that will be valuable for a general
understanding and allowing for eventual integration with different scientific approaches, according to the multidisciplinary nature of
robotics research.
ORGANIZATION
Specifically, we aim at covering those methods and technologies which we deem are indispensable to enable distributed robotics, and
which have been subdivided in seven sub-areas. Coorespondingly, we propose to organize our work in seven workpackages, each
under the direct responsibility of one of the partners:
WP1: MUSTANG (Architetture multisensori per il comando ed il controllo di robot mobili)
Coordinator: Università di Padova - UNIPD, http://www.dei.unipd.it/
(with participation from Univ. di Bologna and Univ. di Verona)
Personnel: R. Frezza (P.I.), A. Beghi, P. Fiorini, R. Oboe
Main Objectives:
a) Sensors fusion
b) Human-Robot interaction
c) Computer vision
WP2: TOLER (Diagnosi e controllo tollerante ai guasti di robot autonomi)
Coordinator: Università di Napoli Federico II- UNINA, http://disna.dis.unina.it/prisma
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(with participation from Univ. di Salerno and Univ. di Basilicata)
Personnel: L. Villani (P.I.), F. Basile, F. Caccavale, G. Celentano, P. Chiacchio, R. Iervolino, B. Siciliano
Main Objectives:
a) Fault diagnosis and tolerance
b) Safe interaction
c) Reconfigurability
WP3: VISE (Asservimenti visivi per sistemi robotici distribuiti)
Coordinator: Università di Siena - UNISI, http://www.dii.unisi.it
(with participation from Univ. di Torino and Univ. di Genoa)
Personnel: D. Prattichizzo (P.I.), F. Barbagli, B. Bona, G. Calafiore, G. Casalino, A. Garulli, M. Indri, A. Vicino
Main Objectives:
a) Visual Servoing
b) Sensor Fusion
c) Robot teams
WP4: MULTIR (Controllo coordinato e navigazione di sistemi multi-robot in ambienti non strutturati)
Coordinator: Università di Cassino - UNICAS, http://webuser.unicas.it/lai
(with participation from Univ. di Roma-3 and Univ. di Palermo)
Personnel: S. Chiaverini (P.I.), F. Alonge, G. Antonelli, F. D'Ippolito, G. Figalli, G. Fusco, S. Panzieri, F. M. Raimondi, T.
Raimondi, G. Ulivi
Main Objectives:
a) Coordinated control of mobile robots
b) Multi-Robot systems
c) Sensors fusion
WP5: LOCOM (Locomozione Robotica: Progetto, Pianificazione e Controllo)
Coordinator: Università di Roma La Sapienza - UNIROMA1 http://labrob.ing.uniroma1.it/
(with participation from Univ. di Catania and Polit. di Milano)
Personnel: G. Oriolo (P.I.), A. De Luca, G. Ferretti, L. Lanari, A. Leva, G. A. Muscato, G. Nunnari, M. Vendittelli
Main Objectives:
a) Robotic locomotion
b) Motion planning
c) Motion control
WP6: SLAMS (Localizzazione e Simultanea Costruzione di Mappe per l'Asservimento e per il Controllo)
Coordinator: Università di Pisa UNIPI, http://piaggio.ccii.unipi.it/
(with participation from Univ. di Cagliari and Univ. di Lecce)
Personnel: A. Bicchi, G. Bartolini, A. Caiti, M.L. Corradini, G. Indiveri, E. Usai
Main Objectives:
a) Localization
b) Maps building
c) Visual servoing
WP7: MOBIL (Integrazione sensoriale per la mobilità assistita di sistemi robotici)
Coordinator: Università Politecnica delle Marche UNIVPM, http://www.ee.unian.it/
(with participation from Univ. di Roma-2 and Univ. di Perugia)
Personnel: S. Longhi (P.I.), G. Conte, A. Ficola, L. Jetto, M. La Cava, T. Leo, L. Menini, G. Orlando, A. M. Perdon, A. Tornambè,
L. Zaccarian, S. M. Zanoli
Main Objectives:
a) Assisted mobility
b) Home automation
c) Assistive robotics
The relationship among the seven DRIVING workpacages is represented by the graph in fig. 1 above, in which a direct arc from WP
i to WP j means that results from WP i are instrumental to research performed in WP i.
The table in fig. 2 above summarizes how different groups will interact and contribute to different workpackages ("C" indicates
Coordination, "P" Participation).
EXPECTED RESULTS
We will investigate the problem theoretically and provide state-of-the-art algorithms for optimal exploitation of the capabilities of
distributed system. To validate the practicality of these results, we will integrate our efforts towards the implementation of
applications aimed at assistive systems for disabled persons.
We will realize a project-level network between the various labs allowing virtual access, on-line update of state-of-art and, in some
cases, remote access to experimental devices (a web page for the proposal is already available at http://www-lar.deis.unibo.it/driving)
We will organize at least two meetings on distributed robotics, to be held once a year in conjunction with major conferences, and
with proceeding publication.
Dissemination of results through a monograph on "Distributed Robotics Integrating Vision, Intelligence, Navigation and Guidance A Systemistic Approach" will be considered, to be edited by the Program Coordinator and including a number of chapters written by
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the Principal investigators of the various groups, with the aim of providing an authorative and reliable source for scholars and users
of distributed robotics in the years to come.
2.2 Base di partenza scientifica nazionale o internazionale
Testo italiano
Il concetto di robotica distribuita può essere succintamente descritto come l’approccio secondo il quale le diverse componenti di un
sistema robotico – sensori, attuatori, intelligenza, controllo, ecc. – non vengono implementati su un unico dispositivo ma piuttosto
sono distribuiti su più unità separate secondo opportune strategie progettuali, in modo tale che esse collaborino verso il
raggiungimento di uno scopo comune. Progettare tali strategie include anche prevedere come le parti di questi sistemi devono essere
dotate di diverse capacità sensoriali, gradi di autonomia, potenza di calcolo e comunicazione, a come le componenti devono essere
assegnate ai diversi ruoli. In questo contesto, il termine "robot" assume un significato più ampio rispetto a quello che può avere
tradizionalmente. Si usa talvolta il termine "sistema multi-robot" per indicare nel modo più generale un insieme di veicoli terrestri,
aerei o marini che formano una squadra di "agenti" che collaborano per raggiungere uno scopo comune. Inoltre, verrà presa in
considerazione anche la possibilità che uno o più agenti umani interagiscano con il sistema.
L’idea della cooperazione tra più agenti nell’esecuzione di compiti complessi ha riscosso molta attenzione da parte della comunità
robotica sino dalla fine degli anni ’80, dato il ricco potenziale che questa idea offre. Ad esempio, una squadra di robot può esplorare
un dato numero di posizioni in un ambiente sconosciuto con una efficienza molto più elevata rispetto ad un singolo agente; più robot
utilizzati vicendevolmente come punti di riferimento possono garantire un drastico aumento di accuratezza nella localizzazione anche
allontanandosi da riferimenti strutturali fissi; agenti diversi di una squadra possono svolgere compiti diversi in contemporanea
riducendo così il tempo totale della missione; oppure possono cooperare durante l’esecuzione di compiti che prevedono il carico e/o
lo spostamento di oggetti più pesanti o più ingombranti rispetto a quelli che può gestire un singolo robot. Si deveanche considerare
che la ridondanza di robot in una squadra riduce la criticità di possibili malfunzionamenti di altri componenti.
Le difficoltà che hanno sinora frenato l’applicazione dei sistemi robotici distribuiti sono sia di natura metodologica che tecnologica.
Le limitazioni dei costi e delle altre risorse per l’intero sistema impongono che ogni singolo agente sia relativamente semplice, quindi
meno prestante rispetto a un robot singolo. I problemi di allocazione delle risorse e delle architetture sono molto critici, con riguardo
ad esempio alla sensorizzazione, alla potenza computazionale e allo spazio memoria disponibile. E’ inoltre necessario trovare un
giusto bilanciamento tra la decentralizzazione e la coordinazione in tutti i compiti, tra cui la fusione sensoriale, la localizzazione, la
costruzione di mappe e la navigazione. La necessità di scambio di informazione tra gli agenti richiede la disponibilità di un sistema di
comunicazione cellulare tra robot che abbia appropriate tecnologie e protocolli di comunicazione, in modo da garantire una
sufficiente connettività, tenendo anche conto delle limitazioni sulla banda passante disponibile per la comunicazione.
In accordo con il vasto interesse dimostrato dalla comunità robotica, la letteratura sulla robotica distribuita e’ abbastanza ricca di
risultati. Per sottolineare quanto una iniziativa di ricerca sul tema della robotica distribuita sarebbe tempestiva, si considerino i due
numeri speciali dedicati ai sistemi multi-robot distribuiti, che sono apparsi di recente su due importanti riviste [Arai02,Tumm03].
Mentre per una esauriente descrizione dello stato dell'arte si può fare riferimento a quei lavori, o a lavori di rassegne quali
[Dudek96,Cao97], riportiamo di seguito una descrizione sommaria dei principali settori della ricerca nei quali è organizzato il
progetto (maggiori dettagli si possono trovare nelle proposte delle signole Unità di ricerca).
Architetture multisensori per il comando ed il controllo di robot mobili
L’integrazione di sensori e le architetture multi-sensore sono temi centrali della robotica e dell’automatica e la relativa letteratura è
numerosa e varia. Sono molto importanti i metodi per la ricostruzione dello stato nel caso di architetture multisensore come ad
esempio l’integrazione fra Global Positioning System e Inertial Navigation Systems ([Grewall01]) e l’integrazione dei due sistemi
GPS e INS con altri sensori come la visione. A questo riguardo, sono state proposte varie tecniche per la ricostruzione del moto da
visione [Frezza00]. L’architettura di tale integrazione e le metodologie statistiche per la stima dello stato sono a tutt’oggi argomenti
di ricerca aperti [Chatter97]. Tecniche stocastiche vengono studiate per l’integrazione di sensori eterogenei: nel caso di sensori
ridondanti, in presenza di rumore ed incertezza nel modello, le misure possono portare ad informazioni apparentemente discordanti e
i modelli probabilistici classici non possono essere applicati. Questo aspetto della fusione sensoriale viene affrontato in letteratura
con approcci di probabilità generalizzata. Le architetture multisensori sono anche molto importanti per il problema di controllo di
sistemi complessi e robot ottenuto mappando l’obiettivo del controllo nello spazio delle variabili misurate direttamente dai sensori; si
fa riferimento in modo specifico all’asservimento visuale [Andreff00, Malis99].
Diagnosi e controllo tollerante ai guasti di robot autonomi
Un fattore trainante per lo sviluppo di sistemi robotici autonomi è costituito dalla possibilità di ridurre l'impiego di operatori umani in
compiti pericolosi o ripetitivi (rimozione di residui tossici, esplorazione di siti dannosi per l'uomo o remoti, missioni di recupero e
salvataggio, compiti ripetitivi o faticosi). I robot autonomi devono essere in grado di reagire in maniera appropriata all'occorrenza di
eventi inaspettati, quali i guasti o i cambiamenti improvvisi dello scenario; inoltre, in compiti che prevedono l'interazione con l'uomo
deve essere garantita una interazione uomo-macchina sicura. Pertanto, la diagnosi di guasti ed il controllo con tolleranza ai guasti
possono individuarsi quali funzionalità indispensabili nella progettazione di un sistema robotico autonomo. Lo scopo principale di un
sistema di diagnosi dei guasti (Fault Diagnosis, FD) è quello di monitorare un processo durante il suo funzionamento per rilevare
l’occorrenza di guasti, localizzarli e determinarne l’evoluzione temporale. In [Frank96,PattonF00] si trova un'ampia rassegna delle
metodologie di FD basate su modello. I metodi di FD possono essere raggruppati in approcci basati sull’osservatore, tecniche basate
sulla stima di parametri, algoritmi basati su tecniche di apprendimento adattativi, e su metodologie di soft-computing. Sono state
sviluppate diverse tecniche di FD per i sistemi robotici: robotic systems have been developed: alcuni sono basate sulla stima dei
parametri dinamici, altri sull’uso combinato di osservatori dello stato e logica fuzzy o reti neurali, altri ancora su osservatori a tempo
discreto, sullo spazio di parità o su tecniche adattative.
Asservimenti visivi per sistemi robotici distribuiti
L’applicazione di tecniche di navigazione autonoma, che usano sensori di visione come principale fonte di informazione, a squadre
cooperanti di robot ha riscosso una grande attenzione da diversi ricercatori [Das02,Vidal03]. Infatti, il recente sviluppo delle
tecnologie e delle metodologie nella 'computer vision' e la grande disponibilità di hardware a basso costo, hanno contribuito a
diffonderne l'uso dell’informazione visiva nella robotica mobile sia in applicazioni di tipo industriale (controllo di veicoli a guida
autonoma o AGV negli impianti produttivi), sia in applicazioni avanzate di ricerca (ad esempio l'esplorazione di ambienti non
strutturati). Un promettente approccio al visual servoing e’ quello di impiegare la geometria epipolare per definire nuove leggi per il
visual servoing la cui peculiarità è quella di avere buone prestazioni anche con scene in cui i soli elementi rilevanti sono i contorni
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degli oggetti [Piazzi03]. Uno dei problemi tipici degli asservimenti visivi è il limitato campo di vista delle telecamere [Murrieri02,
Chesi03]. Per risolvere questi problemi può risulater utile l'uso di telecamere omnidirezionali [Vidal03].
Controllo coordinato e navigazione di sistemi multi-robot in ambienti non strutturati
Alcuni problemi importanti nello studio dei sistemi multi-robot composti da squadre di veicoli autonomi riguardano il controllo
coordinato e la navigazione in un ambiente comune [Simeon02]. Tale problema, che include quello del controllo della distribuzione
dei veicoli in una formazione di geometria assegnata, è generalmente affrontato tramite approcci geometrici [Antonelli03] o approcci
basati su regole comportamentali [Balch98]. Esempi di applicazioni in cui si usano tecniche di pianificazione per sistemi multi robot
sono le missioni esplorative [Burgard00], il controllo in formazione per le autostrade automatiche, o il controllo del traffico aereo
[Bicchi00]. Durante un compito di esplorazione l'eventuale ridondanza sensoriale disponibile può essere opportunamente sfruttata
[Kuraz94]. L'uso di sensoristica eterocettiva si rende indispensabile per sopperire alla carenza di dati per la pianificazione e per la
gestione di eventi non noti a priori (per esempio, assenza/incompletezza della mappa ambientale, presenza di ostacoli, persone in
movimento nell’area di lavoro, oggetti fuori posto nell'ambiente). Pertanto, un traguardo importante da raggiungere consiste nella
realizzazione di sistemi di navigazione operanti in tempo reale che sfruttino la disponibilità di informazione sensoriale sullo stato
dell’ambiente [KhatibB97,Panzieri02,Vidal02].
Locomozione Robotica: Progetto, Pianificazione e Controllo
La quasi totalità dei sistemi robotici distribuiti attuali sono composti da agenti mobili. Quindi, il progetto, la pianificazione e il
controllo della locomozione sono aspetti cruciali per questo tema di ricerca e forniscono problemi scientifici non banali. Ad esempio,
quasi tutti i veicoli su ruote sono soggetti a vincoli cinematici anolonomi che ne limitano la mobilità locale, e che devono essere
tenuti nel debito conto nell’affrontare la generazione di traiettorie [Laum98]. Una difficoltà è costituita dalla presenza di ostacoli, che
devono essere evitati ricorrendo a tecniche di tipo deliberativo [Latom91] o reattivo [KhatibJ97] a seconda che l’ambiente sia noto a
priori o meno. Nel secondo caso, è necessario considerare l’interazione tra i moduli preposti alla generazione del moto e quelli
incaricati della percezione dell’ambiente circostante sulla base di letture sensoriali. Per quanto riguarda i robot mobili su gambe, la
pianificazione del moto è notevolmente complicata dalla necessità di tenere in conto gli aspetti dinamici [Nakam01]: ad esempio, la
sintesi di andature bipedi non può prescindere dalla considerazione delle capacità degli attuatori del sistema e della presenza di
eventuali giunti passivi [Zonf02]. Un altro argomento di notevole interesse è il controllo di formazioni di robot [Hu01], che nasce in
ambiti applicativi come la ROBOCUP [Kitano98] oppure l’intervento di squadre di robot in situazioni ostili [Guccio03]. Riguardo il
controllo della locomozione, è ancora necessario operare una distinzione tra robot mobili su ruote e su gambe. Nei robot su ruote, la
presenza di vincoli anolonomi rende impossibile la regolazione a configurazioni assegnate attraverso retroazione continua dallo stato;
si rende quindi necessario ricorrere a controllori discontinui [Oriolo02] o tempo-varianti. L’analisi della robustezza di tali schemi è
tuttavia ancora in fase preliminare, ed esistono solo alcuni metodi le cui prestazioni siano state caratterizzate sotto tale profilo
[Luci01]. Il controllo di LMR richiede tecniche in grado di gestire sistemi intrinsecamente instabili (si pensi al controllo di un
bipede) e sottoattuati [Sugi02]. Particolarmente interessanti appaiono i metodi geometrico-differenziali [DeLuca02] e quelli basati
sull’apprendimento iterativo, già applicati con successo al caso di locomozione su ruote [Wester03].
Localizzazione e Simultanea Costruzione di Mappe per l'Asservimento e per il Controllo Dagli anni ’90, il problema della
costruzione delle mappe è stato affrontato tramite tecniche probabilistiche [Smith90]. Da allora la connessione tra i problemi di
localizzazione e di costruzione di mappe è stata comunemente indicata con l’acronimo SLAM (Simultaneous Localization And Map
building [Leonard92,Thrun02]), oppure CML (Concurrent Mapping and Localization [Leonard99]). Recentemente, grande
attenzione è stata posta sui problemi legati ai sistemi robotici distribuiti per la localizzazione, l’esplorazione e la costruzione di
mappe ([ThrunFox98,Roume02]), che garantiscono maggiore robustezza ed efficienza. L’incertezza sull’informazione sensoriale può
essere gestita fondamentalmente con modelli deterministici [Caiti03] o probabilistici. Per una esecuzione in tempo reale dello
SLAM, è necessario implementare algoritmi ricorsivi, tra cui il filtro di Kalman esteso è vastamente usato
([Borenstein96,Leonard92]), pur se la complessità computazionale, l'occupazione di memoria, e la mancanza di garanzie di
convergenza ne limitano l'efficacia. Dall’analisi della letteratura sullo SLAM, si evincono inoltre alcune lacune nello stato dell’arte,
quali l'assenza di una chiara comprensione di ciò che avviene connettendo in tempo reale algoritmi di localizzazione e di controllo in
retroazione (in termini sistemistici, un problema di separazione di stima e stabilizzazione).
Integrazione sensoriale per la mobilità assistita di sistemi robotici
Dotare i sistemi robotici di abilità compatibili con quelle degli poeratori umani è una proprietà desiderabile, se non necessaria, in
quelle applicazioni in cui l’ambiente è non strutturato e con caratteristiche di impredicibilità, ed in cui è richiesta una notevole
interattività con l’operatore. Quando i robot possono svolgere compiti pericolosi, l’uomo può svolgere un controllo di supervisione
[Troccaz93]. Un robot può essere utilizzato anche per l’assistenza alle persone anziane o disabili, con un significativo grado di
interattività con l’utente: in questo tipo di interazione, è necessario che il sistema robotico autonomo svolga la maggior parte dei
compiti e che l’utente intervenga soltanto in situazioni ben specificate, con azioni ben definite. I comandi provenienti dall’utente, in
alcune circostanze, devono essere opportunamente filtrati, o addirittura limitati ([Guo95]). Gli schemi di controllo sviluppati da
sistemi in grado di estendere le capacità umane a sistemi telerobotici forniti di diversi gradi di autonomia ([KhatibY99]). Criteri di
utilizzabilità ed accettabilità devono essere considerati nello sviluppo delle interfacce utente [Levine99]. Diverse strutture
gerarchiche sono state proposte in letterature [Meng01] per definire il sistema di Navigazione, Guida e Controllo (NGC) del robot
[Lin91]. Nella robotica assistiva, questo approccio è stato sviluppato per soddisfare i criteri di efficienza e sicurezza [Fioretti00]. La
necessaria autonomia del modulo NGC richiede lo sviluppo di strategie di controllo intelligenti [Valava92,Leo95,Conte96]. Nel
campo dell’ingegneria della riabilitazione la coordinazione del modulo NCG della base mobile con il modulo di controllo del
manipolatore installato a bordo richiede l’analisi di metodologie basate su strutture ibride, capaci di integrare i comandi imposti
dall’utente.
Testo inglese
The concept of distributed robotics can be described succinctly as the approach by which the different components of a robotic
system - sensors, actuators, intelligence, control, etc. - are not implemented in a unique physical device, but rather are distributed
according to some design policy in several or many separate units, working together towards the accomplishment of a common goal.
Design policies include how parts of these systems are endowed with different sensorial capabilities, degrees of autonomy,
computational and communication power, and how they are committed to different roles in the system. The term "robot" assumes in
this context a wider meaning than it may have had traditionally, and the term multi-robot system will be used to denote in the most
general way both a set of terrestrial, aerial, or marine vehicles as a set of "agents" that cooperate to achieve a common target; in
many cases, the integration of one or more human agents interacting with the system shall have to be taken into account.
The idea of cooperation among multiple agents in executing complex tasks has attracted wide attention in the robotics community
since at least the 80's, due to the rich potentials it offers. For instance, a team of robots can explore a number of assigned locations in
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an unknown environment with better efficiency than a single rover; the agents of the team can serve each other as a mobile landmark,
thus allowing for more accurate localization on a larger span from fixed references; different robots in the team can attend to
different tasks at the same time, thus reducing total mission time; or they can cooperate in tasks involving heavier or wider loads than
each single robot may manage. It should also be considered that redundancy in the team reduces criticality of malfunctioning of any
component of the team.
The main difficulties encountered in the application of distributed robot systems are of both methodological and technological nature.
Limitations in cost and other resources for the the whole systems impose that each agent is relatively simple, as compared to the
state-of-art in single robot system. Architecture and resource allocation problems are very sensitive in many respects, including
sensorization, computational power, information storage. Tradeoffs betweeen decentralization and coordination must be seeked in all
tasks, including sensor fusion, localization, map building, navigation. Information exchange among agents calls for the design of a
cellular communication system between robots, with suitable technology and protocols to guarantee connectivity, while limited
bandwidth has to be taken into due account in the design of cooperative startegies for the robotic team.
According to the wide interest in the research community, the literature on distributed robotic systems is quite rich as of today. To
highlight how timely a research initiative on this theme would be, consider that two special issues on distributed multirobot systems
have appeared very recently in two leading journals of the robotics community [Arai02,Tumm03]. While we refer to the editorial in
[Arai02], and to surveys in [Dudek96], [Cao97] for an extensive coverage of the literature on the field, we provide below a review of
the scientific base from which this project moves divided by the seven main topics of research in which we plan to organize our
work. Bibliographical references are provided, while more details can be gained from the proposals of the single Units.
Multisensor architectures for guidance and control of mobile robots
Sensor integration and multi-sensor architectures are central topics in distributed robotics, and the corresponding literature is rich and
diverse. Crucially important are methods for state reconstruction in multi-sensor architectures, such as e.g. the integration of Global
Positioning System and Inertial Navigation Systems ([Grewall01]) and the integration of GPS/INS sensors with other sensors, such
as vision. Many approaches have been proposed for motion reconstruction from vision [Frezza00]. The architecture to be used for
such integration and the statistical methodologies for state estimation are still open problems, and the related literature is rather
scarce (see e.g. [Chatter97]). Stochastic and generalized probability techniques are to be studied for the integration of heterogeneous
sensors: when redundant sensors are employed, due to noise and model uncertainties, measurements may carry incoherent
information so that probabilistic models cannot be used. Such an aspect of sensor fusion is dealt with in the literature by appealing to
generalized probabilities techniques. Multisensor architectures are also most relevant to the problem of controlling complex systems
and robots by mapping the control goal into the space of the variables that are directly measured by the sensors, and specifically to
visual servoing [Andreff00, Malis99].
Diagnosis and fault tolerant control of autonomous robots
A crucial factor for the development of an autonomous robotic system is represented by the possibility of reducing the human
intervention in the execution of dangerous or repetitive tasks (cleanup of toxic waste, exploration of remote and hazardous
environments, search and rescue missions, repetitive and fatiguing tasks). Autonomous robots have to properly react to failures or
abrupt changes of the environment; moreover, during the execution of tasks involving the interaction with humans a safe
human-robot interaction has to be guaranteed. Therefore, fault diagnosis and fault tolerance have to be considered as fundamental
functionalities in the design of an autonomous robotic system. The main goal of a Fault Diagnosis (FD) system is the monitoring of
the process during its normal working conditions so as to detect the occurrence of failures (fault detection), recognize the location
(fault isolation) and the time evolution (fault identification) of the failures. In [Frank96, PattonF00] a wide overview of the existing
model-based FD techniques are presented. The FD methods can be grouped in observer-based approaches, parameter estimation
techniques, algorithms based on adaptive learning techniques, and on soft-computing methodologies. Several FD techniques for
robotic systems have been developed: some are based on dynamic parameters estimation, others on the combined use of state
observers and fuzzy logic, or neural networks, others are based on discrete-time observers, on the parity space concept, or on
adaptive algorithms.
Visual servoing for distributed robotics
Applying autonomous navigation techniques, that use vision sensors as main source of information, to the scenario of a team of
cooperating robots has gathered the attention of several researchers [Das02,Vidal03]. Indeed, recent improvements in computer
vision technologies and methodologies, and widespread availability of economic hardware, are spreading the usage of visual
information in mobile robotic applications, both for industrial (e.g. AGV control in production plants) and for advanced research
applications (e.g., exploration of unstructured environments). A promising approach to visual servoing is the application of epipolar
geometry to define new control law exhibiting good performance even when only object contour information is available [Piazzi03].
A typical problem of visual servoing methods is the limited field of view of the camera [Murrieri02, Chesi03], to overcome which
the use of omnidirectional cameras has been proposed [Vidal03].
Coordinated control and navigation of multi-robot systems in unstructured environments
Motion planning and coordination of multiple agents sharing a common space [Simeon02] is an important problem to be solved for
multi-robot systems. This problem, which includes that of controlling distribution of the vehicles according to a formation of
assigned geometry, is generally dealt with by geometric [Antonelli03] or behavioral approaches [Balch98]. Exploratory missions
[Burgard00] or platoon control in automated freeways and aerial traffic control [Bicchi00] are examples applications where
multi-robot planning techniques must be adopted. During an exploration task the possibly available redundancy of sensory data can
be suitably exploited [Kuraz94]. The use of heteroceptive sensors is made necessary to overcome lack of data needed to planning and
to face unplanned events (e.g., missing or incomplete map of the environment, presence of obstacles, moving humans in the
workspace, misplaced objects in the environment). Therefore, an important goal to be reached is the realization of navigation systems
operating in real time, based on available sensory data about the status of the environment [Panzieri02,Vidal02].
Robotic locomotion: design, planning and control
Virtually all distributed robotic systems are comprised of mobile agents. Hence, the design, planning, and control of locomotion are
crucial themes of research in this field, bringing up extremely challenging scientific problems. For example, virtually all wheeled
mobile robots (WMR) are subject to nonhonomic kinematic constraints that reduce their local mobility, and which fact must be kept
into account when addressing trajectory generation [Laum98]. A difficulty is the presence of workspace obstacles, which must be
avoided resorting to either deliberative [Latom91] or reactive [KhatibJ97] techniques, depending on whether the environment is
known or not a priori. In the latter case, one should also consider the interaction between the modules in charge of motion generation
and those which realize environment perception on the basis of sensor measures. Planning for legged mobile robots (LMR) is much
complicated by the fact that dynamic effects are not negligible [Nakam01]: for example, the synthesis of biped gaits must take into
account the system actuators’ capabilities or the possible presence of passive joints [Zonf02]. Another topic of particular interest is
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robot formation control [Bicchi00, Hu01], arising from application domains such as the ROBOCUP [Kitano98] or robot team
intervention in hostile environments [Guccio03]. When dealing with locomotion control, it is still necessary to distinguish between
wheeled and legged locomotion. In WMRs, the presence of nonholonomic constraints makes it impossible to achieve regulation to a
given posture by means of continuous state feedback; it is therefore necessary to resort to discontinuous [Oriolo02] or time-varying
feedback. The analysis of robustness of these control schemes is however still in its infancy, and a satisfactory characterization of
such aspect has only been given for few methods [Luci01]. LMR control requires techniques that can cope with intrinsically unstable
(think about biped control) or underactuated [Sugi02] systems. Differential-geometric [DeLuca02] methods are particularly
appealing, as well as those based on iterative learning control, which have already been successfully applied to wheeled locomotion
[Wester03].
Simultaneous Localization And Mapping for Servoing
Since the 1990s, the field of robot mapping has been dominated by probabilistic techniques ([Smith90]). Since then, the conjunction
of the localization and mapping problems has been commonly been referred to as SLAM ([Leonard92, Thrun02]), or CML (short for
Concurrent Mapping and Localization [Leonard99]). A strong accent has been recently put on distributed robotics systems for
coordinated localization, exploration, and mapping ([ThrunFox98,Roume02]), which can guarantee greater robustness and
efficiency. Uncertainty implied by sensorial information can be dealt with in basically two ways, i.e. deterministically [Caiti03], and
by using probabilistic models. For real-time execution of SLAM, recursive algorithms are to be implemented, among which the
extended Kalman filter is widely used ([Borenstein96, Leonard92]), although its computational complexity, memory occupation and
lack of guaranteed convergence negatively affect its performance. From the analysis of the SLAM literature, some deficiencies of
the current state of art result, concerning in particular the lack of a clear understanding of the properties of the real time connection
of localization algorithms and feedback control laws (an estimator-stabilizer separation problem, in system theoretic terms).
Sensory integration for assisted mobility of robotic systems.
Introducing human skills into robotic systems is often desirable and necessary in many applications where the environment is
unstructured and unpredictable and a significant interaction with human is considered. When robots can perform dangerous tasks, the
human can produce a supervisory control action [Troccaz93]. Robot systems can assist the disabled and the elderly with a significant
interaction with the user. In this type of interaction it is necessary that the autonomous robotic system perform most tasks and the
human interacts in specific situations and with defined actions. The human input must be filtered or limited in certain circumstances
([Guo95]). Control schemes developed thus far range from human extenders to telerobotic systems endowed with various degrees of
autonomy ([KhatibY99]). Criteria of usability and acceptability must be considered in the development of the user interfaces
[Levine99]. Different hierarchical structures, that define the Navigation, Guidance and Control (NGC) system of the robot ([Lin91]),
have been proposed in the technical literature [Meng01]. In assistive robotics this approach has been developed for matching the
criteria of efficiency and security [Fioretti00]. The necessary autonomy of the NGC module require the development of intelligent
control strategies [Valava92, Conte96]. In the framework of rehabilitation engineering the coordination of the NGC module of a
mobile base such as a smart wheelchair with the control module of a manipulator installed on-board requires the analysis of
methodologies based on hybrid structures able to integrate the commands imposed by the user.
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[Laum98] J.-P. Laumond (Editor), "Robot Motion Planning and Control", Lecture Notes in Control and Information Sciences 229,
Springer, 1998.
[Leonard92] J. J. Leonard, H. F. Durrant-White,I. J. Cox, "Dynamic map building for an autonomous mobile robot," , IJRR, vol. 11,
1992.
[Leonard99] J.J. Leonard, H.J.S. Feder, "A computationally efficient method for large-scale concurrent mapping and localization",
Int. Symposium on Robotics Research, 1999.
[Levine99] S. P. Levine, D. A. Bell, L. A. Jaros, R. C. Simpson, Y. Koren, J. Borenstein, "The NavChair assistive wheelchair
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[Lin91] C. F. Lin, "Modern NGC Processing", Prentice Hall, 1991.
[Luci01] P. Lucibello, G. Oriolo, "Robust stabilization by iterative state steering with an application to chained-form systems,"
Automatica, 37-1, 2001.
[Malis99] Malis, E.; Chaumette, F.; Boudet, S.; "21/2D visual servoing", TRA 15-2, 1999.
[Meng01] Q. Meng, M.H. Lee, "Behavior-based assistive robotics for the home", IEEE Int. Conf. on Systems, Man, and Cybernetics,
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[Murrieri02] P. Murrieri, D. Fontanelli, A. Bicchi, "Visual-servoed parking with limited view angle," Experimental Robotics VIII,
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[Nakam01] Y. Nakamura, H. Ezaki, T. Yuegan, W. Chung, "Design of steering mechanism and control of nonholonomic trailer
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[Oriolo02] G. Oriolo, A. De Luca, M. Vendittelli, "WMR control via dynamic feedback linearization: Design, implementation and
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[Panzieri02] S. Panzieri, F. Pascucci, G. Ulivi, "An Outdoor Navigation System Using GPS and Inertial Platform," IEEE/ASME
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[PattonF00] Patton R.J., Frank P.M., Clark R.N. "Issues in Fault Diagnosis for Dynamic Systems". Springer-Verlag, 2000.
[Piazzi03] J.Piazzi, D.Prattichizzo, A.Vicino "Visual servoing along epipoles" in: Control Problems in Robotics, Springer Tracts in
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[Simeon02] T. Simeon, S. Leroy, J.-P. Laumond, "Path coordination for multiple mobile robots: a resolution-complete algorithm,"
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[Smith90] R. Smith, M. Self, P. Cheeseman, "Estimating uncertain spatial relationships in robotics". In I.Cox and Wilfong, eds.,
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[Sugi02] T. Sugihara, Y. Nakamura, H. Inoue, " Real-time humanoid motion generation through ZMP manipulation based on
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[ThrunFox98] S. Thrun, D. Fox, W. Burgard, "A probabilistic approach to concurrent mapping and localization for mobile robots".
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[Thrun02] S. Thrun, "Robotic Mapping: A Survey,", in: Exploring Artificial Intelligence in the New Millenium, Morgan Kaufmann,
2002.
[Troccaz93] J, Troccaz, S. Lavallee, E. Hellion, "A passive arm with dynamic constraints: a solution to safety problems in medical
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[Tumm02] R.L. Tummala, Ning Xi, R. Mukherjee (eds.) "Special Issue on Distributed Robotics", RAM, 9-4, 2002.
[Valava92] K. Valavanis, G. Saridis, "Intelligent Robotic Systems: Theory, Design and Applications", Kluwer Academic Publishing,
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[Vidal02] R. Vidal, O. Shakernia, H.J. Kim, D.H. Shim, S. Sastry, "Probabilistic pursuit-evasion games: theory, implementation, and
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[Vidal03] R.Vidal, O.Shakernia, S.Sastry "Omnidirectional Vision Based Distributed Formation Control of Nonholonomic Mobile
Robots" ICRA 2003.
[Wester03] E.R. Westervelt, J.W. Grizzle, D.E. Koditschek, "Hybrid Zero Dynamics of Planar Biped Walkers," TAC, 48-1, 2003.
[Zonf02] F. Zonfrilli, G. Oriolo, D. Nardi, "A Biped Locomotion Strategy for the Quadruped Robot Sony ERS-210," ICRA 2002.
2.3 Numero di fasi del Programma di Ricerca:
MIUR - BANDO 2003
- 13 -
,
Ministero dell Istruzione,
dell ,Università e della Ricerca
PARTE II
4
2.4 Descrizione del Programma di Ricerca
Fase 1
Durata e costo previsto
Durata
Mesi 4
Costo previsto
Euro 177.000
Descrizione
Testo italiano
Mentre il punto di partenza scientifico di questa proposta di ricerca e' stato già descritto nel paragrafo 2.2, si vuole qui brevemente
descrivere la base di partenza tecnologica, rappresentata dai laboratori, dagli strumenti e dalle attrezzature sperimentali messe a
disposizione dai proponenti:
UNIPD:
- Sistema di visione per la misura del movimento;
- Manipolatore a sei gradi di liberta';
- Motocicletta equipaggiata con GPS/INS e telecamera;
UNINA:
- Robot industriale Comau SMART-3S a 6 assi con unita' di governo C3G-9000 ad architettura di controllo aperta;
- Robot industriale Comau SMART-3S a 7 assi (slitta aggiuntiva alla base) con unita' di governo C3G-9000 ad architettura di
controllo aperta;
- 2 sensori di forza/coppia ATI FT-30/100;
- Sistema di visione stereometrico composto da 2 telecamere analogiche SONY 8500 CE e 2 schede di acquisizione e elaborazione
delle immagini MATROX Genesis;
UNISI:
- Robot mobile PIONEER 2DXE equipaggiato con sensori ad ultrasuoni;
- Interfaccia aptica Phantom - Sensable Inc;
- Robot mobile NOMAD X4000 equipaggiato con sensori ad ultrasuoni, laser range finder e sistema di visione;
- 2 telecamere CCD SONY XC-75CE con frame grabber National Instruments IMAQ 1409;
- 1 telecamera progressiva CCD JAY CV-A11 con frame grabber Coreco-Imaging PCVision;
UNICAS:
- 1 robot mobile I-Robot Magellan Pro, corredato di 16 sonar, 16 infrarossi, 16 bumpers, radio-ethernet e telecamera a bordo;
- 1 robot mobile I-Robot ATRV-Jr, corredato di sonar, infrarossi, bumpers e radio-ethernet;
- 1 robot mobile prototipale SuperMARIO, dotato di encoder, collegamento radio-modem con PC e telecamera a bordo;
UNIROMA1:
- robot mobile MagellanPro con cinematica differential-drive, anello di 16 sensori ad ultrasuoni, anello di 16 sensori ad infrarossi,
paraurti con sensori di contatto e telecamera a colori con piattaforma pan-tilt;
- robot mobile prototipale SuperMARIO con cinematica unicycle-like e sistema di visione esterno (telecamera + frame grabber);
- robot mobile prototipale RINGHIO con cinematica synchro-drive;
- robot mobile prototipale ROBOVOLC, con 6 ruote articolate, braccio meccanico, DGPS, sensori inerziali, telecamera termica;
- robot mobile prototipale WHEELEG, con cinematica ibrida gambe/ruote;
UNIPI:
- Veicoli robotici su ruote (Koala K-Team) con sensori di posizione (ad infrarossi e sonar) e di luminosita';
- Testa laser range finder ``Robosense'';
- Sistema di visione con telecamera Panasonic, frame grabber MATROX, testa robotica di orientamento telecamera;
- Veicolo robotico TRC Labmate, dotato di PC a bordo, sensoristica US, radio-modem;
- Manipolatore Parallelo a sei gradi di libertà (Delta)/ Interfaccia Aptica (Phantom);
UNIVPM:
- Sistema di manipolatore di caratteristiche avanze per ausili robotici, modello MANUS prodotto dalla Dynamics e dotato di
interfacce di comando e di controllo;
- Sistema sensoriale complesso costituito da un sistema misura laser e da sistemi di visone a basso costo con le relative interfaccie
per l'acquisizione dati;
- Robot mobile pioneer 2-DXE e relativo sistema software per lo sviluppo di algoritmi esplorazione/navigazione;
MIUR - BANDO 2003
- 14 -
PARTE II
,
Ministero dell Istruzione,
dell ,Università e della Ricerca
- Robot a 5 gradi li libertà, equipaggiato della propria unita' di potenza ed acquisizione dati;
- Piattaforma mobile sviluppata autonomamente QUADRO per locomozione quadrupede;
Il programma di ricerca e' organizzato come segue:
Descrizione Fase 1
Mese 1:
- Definizione della struttura del Workpackage;
- Definizione delle politiche di accesso ai laboratori;
- Definizione dei contenuti tecnologici e/o metodologici;
- Definizione della struttura informativa e della rete;
- Attivazione del Comitato Nazionale di Coordinamento (kick-off meeting).
- Attivazione delle pagine Web per i Workpackage e le unita'
Mesi 1-4:
- Aggiornamento dello stato dell'arte delle varie aree di intervento per tutti i temi descritti nel programma;
- Determinazione delle specifiche per gli obiettivi dei singoli Workpackage.
Testo inglese
The point of departure for the proposed project is a situation in which previous independent research by the proponents has secured
a firm scientific background (see section 2.2) and a suitable laboratory equipment platform for experimental activities, which is
detailed here as follows:
UNIPD:
- Optical motion capture system;
- Six degree of freedom manipulator;
- Motorcycle equipped with GPS/INS and camera;
UNINA:
- Six-joint industrial robot Comau SMART-3S with C3G-9000 control unit with open control architecture;
- Seven-joint industrial robot Comau SMART-3S (additional sliding track at the base) with C3G-9000 control unit with open control
architecture;
- Two force/torque sensors ATI FT-30/100;
- Stereo vision system composed by 2 analog video cameras SONY 8500 CE and 2 MATROX - Genesis image acquisition and
processing boards;
UNISI:
- Mobile robot PIONEER 2DXE, equipped with ultrasound sensors;
- Haptic interface Phantom - Sensable Inc.;
- Mobile robot NOMAD X4000 equipped with ultrasound sensors, laser range finder and vision system;
- 2 cameras CCD SONY XC-75CE with frame grabber National Instruments IMAQ 1409;
- 1 progressive camera CCD JAY CV-A11 with frame grabber Coreco-Imaging PCVision;
UNICAS:
- 1 mobile robot I-Robot Magellan Pro, equipped with 16 sonar, 16 infrared, 16 bumpers, radio-ethernet and on board camera;
- 1 mobile robot I-Robot ATRV-Jr, equipped with sonar, infrared, bumpers and radio-ethernet;
- 1 prototype mobile robot SuperMARIO, equipped with encoders, radio-modem link to a PC and on board camera;
UNIROMA1:
- mobile robot MagellanPro with differential-drive kinematics, ultrasonic ring (16), infrared ring (16), bumper with swith sensors
and pan-tilt color camera;
- mobile robot prototype SuperMARIO with unicycle-like kinematics and external vision system (camera + frame grabber);
- mobile robot prototype RINGHIO with synchro-drive kinematics;
- mobile robot prototype ROBOVOLC with 6 articulated wheels, mechanical arm, DGPS, inertial sensors, thermal camera;
- mobile robot prototype WHEELEG with hybrid (wheeled/legged) kinematics;
UNIPI:
- 3 Wheeled Vehicles (K-Team Koala) with positioning sensors (infrared and sonar);
- Laser range-finder Robosense;
- Camera system (Panasonic camera, Matrox framegrabber, robotic head for pan/tilt);
- Robotic vehicle TRC Labmate;
- Six degrees of freedom parallel manipulator (Delta)/ Haptic Display (Phantom);
UNIVPM:
- Advanced robot manipulator arm for assistive robotics MANUS, made by Dynamics;
- Sensor system composed by a Laser measurement system and low cost vision systems with interfaces for data acquistion;
- Mobile robot Pioneer 2-DXE and software system for algorithm development and testing;
- 5 degree-of-freedom robot, equipped with its power and data acquisition board;
- Mobile robot QUADRO designed and built for qradrupedal locomotion.
On these bases, the prposed program is organized as follows:
Description of Phase 1
Month 1:
MIUR - BANDO 2003
- 15 -
,
Ministero dell Istruzione,
dell ,Università e della Ricerca
PARTE II
- Definition of the structure of the Workpackages;
- Definition of the access policies to laboratories;
- Definition of technological and/or methodological contents;
- Definition of the information and networking structure;
- Activation of the National Coordination Committee (kick-off meeting).
- Activation of web pages for WP's and groups
Month 1-4:
- State-of-art update within the various areas of intervention for all the Workpackages outlined in the program.
- Determination of detailed specifications for the functions included in each Workpackage.
Risultati parziali attesi
Testo italiano
- Organizzazione della rete di progetto http://www-lar.deis.unibo.it/driving con condivisione delle pubblicazioni, dei report interni e
dei risultati delle varie unità;
- Aggiornamento dello stato dell'arte presentato attraverso relazioni di progetto;
- Regolamentazione per gli accessi nei laboratori;
- Incontro di coordinamento.
Testo inglese
- Organization of the project network http://www-lar.deis.unibo.it/driving with shared internal reports, publications and results of
various partners.
- State-of-art update presented through project reports.
- Regulation of access to laboratories.
- National Coordination Meeting.
Unità di Ricerca impegnate
Unità n. 1
Unità n. 2
Unità n. 3
Unità n. 4
Unità n. 5
Unità n. 6
Unità n. 7
Fase 2
Durata e costo previsto
Durata
Mesi 8
Costo previsto
Euro 261.000
Descrizione
Testo italiano
La seconda fase del progetto DRIVING riguarda principalmente l'analisi delle carenze nello stato dell'arte che possono ostacolare il
raggiungimento degli obiettivi, e lo studio di possibili soluzioni innovative. Le attivita' dei signoli Workpackage sono descritte in
dettaglio nei modelli B delle Unita' che coordinano i Workpackage. Nel seguito viene quindi fornita solo una descrizione generale
della fase:
Mesi 5-7:
- Identificazione dei problemi aperti per i singoli Workpackage;
- Valutazione delle priorita' e delle rilevanze;
- Acquisto delle attrezzature;
- Attivazione delle collaborazioni scientifiche e professionali;
Mesi 5-12: Studio e sviluppo di possibili soluzioni per i problemi ad alta priorita'.
MIUR - BANDO 2003
- 16 -
PARTE II
,
Ministero dell Istruzione,
dell ,Università e della Ricerca
Mesi 12: Riunione di programma di metà progetto, con presentazione dei risultati parziali ottenuti dai singoli Workpackage.
Testo inglese
The second phase of the DRIVING Program deals primarily with the analysis of critical deficiencies in the state-of-the-art, hindering
the achievement of the project goals, and with the study of possible alternative solutions.
The activities of each single Workpackage are described in detail in the Forms B of the Units coordinating the Workpackages.
A general description of the second phase follows:
Months 5-7:
- Identification of open problems for each workpackage
- Priorities and relevance evaluation;
- Equipment purchase;
- Activation of scientific and professional collaborations;
Months 5-12: Study and development of possible solutions for problems with higher priority.
Month 12: Mid term program meeting, with presentation of partial results achieved by each WP.
Risultati parziali attesi
Testo italiano
I risultati parziali attesi per questa fase sono descritti in modo succinto per ogni Workpackage, anche quando si preveda che siano
ottenuti da diversi gruppi. Per una descrizione più dettagliata facciamo riferimento al modello B per ogni unità.
MUSTANG:
- Identificazione dei modelli di interazione sensore/ambiente a disposizione;
- Sviluppo di un'architettura multilivello per il controllo di un sistema multirobot cooperante;
- Sviluppo di semplici sistemi di comunicazione per sistemi sensoriali e di attuazione organizzati in una rete.
TOLER:
- Sviluppo di nuove metodologie di diagnosi e isolamento di guasti basate su tecniche di soft computing; validazione in
simulazione (MATLAB/SIMULINK);
- Sviluppo di metodologie di controllo riconfigurabile basate su tecniche di FD e ricostruzione dello stato mediante sensori
eterocettivi;
- Test di simulazione (MATLAB/SIMULINK);
- Sviluppo di algoritmi di riconoscimento ed isolamento per guasti (di attuatori e/o sensori) che agiscono a livello di accelerazione
nei sistemi robotici. Implementazione su un robot articolato;
- Implementazione di un manipolatore robotico;
- Codifica dei guasti intenzionalmente generati nell'architettura hardware/software disponibile in laboratorio;
VISE
- Sintesi di un algoritmo di visual servoing per il docking di robot mobili, basato sulla geometria epipolare, che sfrutti informazioni
derivanti dai soli contorni di oggetti tridimensionali;
- Formulazione e soluzione di problemi di intercettamento di oggetti in movimento nello spazio da parte di robot mobili mediante
asservimento visuale;
- Sviluppo di tecniche di docking in ambienti con ostacoli per robot con telecamera a bordo. Messa a punto di algoritmi real-time
per la generazione visuale di manovre efficienti in strutture su gambe;
- Studio di tecniche di ricostruzione parziale dello stato mediante uso di sensori propriocettivi e eterocettivi;
- Test di simulazione (MATLAB/SIMULINK);
MULTIR:
- Analisi dei vincoli di implementabilita' degli algoritmi, quali ritardi nelle comunicazioni, anolonomia dei veicoli, ecc.;
- Acquisizione, installazione e configurazione di un robot mobile.
- Sviluppo di un pianificatore probabilistico per l'esplorazione di ambienti ignoti da parte di robot singoli o in squadra;
- Realizzazioni di procedure per l'autolocalizzazione di un insieme di robot mobili con politiche di coordinamento, sia in
forma centralizzata che distribuita;
LOCOM:
- Sviluppo di un controllore basato su feedback-linearizzazione dinamica per classi generali di WMRs. Messa a punto di controllori
punto-punto in grado di generare traiettorie a curvatura minima;
- Formulazione di strategie innovative di pianificazione e controllo robusto della locomozione bipede e quadrupede;
- Simulazione di algoritmi di gestione del moto di un veicolo anolonomo impegnato in un inseguimento di percorso;
- Sviluppo del codice di simulazione di sistemi complessi interagenti;
SLAMS:
- Realizzazione di strumenti software per la simulazione degli algoritmi;
- Implementazione e test su veicoli degli algoritmi di localizzazione e mapping tramite visione;
- Sviluppo di tecniche di localizzazione e mappatura simultanea per sistemi anolonomi in ambienti strutturati;
- Messa a punto di metodi SLAM basate sull'uso congiunto di EKF e tecniche di probabilita' generalizzata per la localizzazione in
ambienti naturali;
- Analisi teorica del problema dello SLAM in considerazione della specifica sensoristica disponibile;
MIUR - BANDO 2003
- 17 -
PARTE II
,
Ministero dell Istruzione,
dell ,Università e della Ricerca
MOBIL:
- Sviluppo di interfacce utenti Hw e Sw per la guida supervisionata dall'utente di una carrozzella elettrica;
- Installazione su una carrozzella elettrica di un manipolatore di servizio;
- Integrazione tra base mobile e manipolatore
- Studio delle problematiche di guida supervisionata dall'utente;
- Codifica e taratura di un algoritmo di pianificazione e controllo del moto;
- Sviluppo di procedure automatiche per lamodellistica di manipolatori a bracci/giunti flessibili.
Testo inglese
Expected results for this phase are succintly described for each WP even if they will be obtained from different partners. For a more
detailed descriprion we refer to the form B of each partner.
MUSTANG:
- Identification of the models to describe available sensors/environment;
- Development of a multilayer control architecture for a cooperative multi-robot system;
- Development of simple communication systems for sensors and actuators network organized.
TOLER:
- Development of new fault diagnosis (FD) and isolation approaches based on soft computing techniques and simulation tests
(MATLAB/SIMULINK).
- Development of reconfigurable control strategies based on FD techniques and state reconstruction via eteroceptive sensors;
- Simulation tests (MATLAB/SIMULINK);
- Development of new actuator and/or sensor FDI algorithms for faults acting at the acceleration level in robotic systems;
- Implementation on a robot manipulator;
- Coding in the available hardware/software architecture of intentional faults to be activated.
VISE
- Development a visual servoing algorithm for the docking problem of holonomic vehicles, based on epipolar geometry, exploiting
only information concerning the contours of three-dimensional objects;
- Visual-based methods for intercepting moving objects by means of mobile robots. Design of docking techniques in cluttered
environments for robots with on-board cameras.
- Development of real-time algorithms for visual generation of efficient maneuvers in legged locomotion;
- Study of partial state reconstruction techniques via proprioceptive and eteroceptive sensors;
- Simulation tests (MATLAB/SIMULINK).
MULTIR:
- Analysis of the implementation constraint affecting the chosen algorithms, such as communication delays, non holonomic
motion, etc..
- Acquisition, installation, and configuration of a mobile robot;
- Design of a probabilistic planner for exploring unknown environments by means of single or multiple robots;
- Development of procedures for the self localization of a set of mobile robots, with coordination policies, both in a centralized and
in a distributed form.
LOCOM:
- Development of a controller based on dynamic feedback linearization for general classes of WMRs. Design of posture stabilizers
under maximum curvature constraints.
- Study of innovative strategies for planning and robust control of legged locomotion;
- Simulation of algorithms for motion control of a nonholonomic vehicle in a path following task;
- Development of the simulation code for complex interacting systems.
SLAMS:
- Realization of software tools for algorithm simulation;
- Development and vehicle test of vision based localization and mapping algorithms;
- Development of SLAM techniques for nonholonomic systems in structured environments;
- Formulation of SLAM in natural environments as a sensor fusion problem based on the combined use of EKF and generalized
probability techniques;
- Theoretical analysis of the SLAM problem in view of the specific sensory system available.
MOBIL:
- Development of HW e SW user interfaces for the guidance of a human supervised wheelchair;
- Installation on a wheelchair of a service manipulator;
- Integration problems between mobile bases and manipulators;
- Study of problems concerning the guidance of a human supervised wheelchair;
- Implementation and tuning of an algorithm of motion planning and control;
- Development of automatic procedures for determining the model of flexible manipulators.
Unità di Ricerca impegnate
MIUR - BANDO 2003
- 18 -
,
Ministero dell Istruzione,
dell ,Università e della Ricerca
PARTE II
Unità n. 1
Unità n. 2
Unità n. 3
Unità n. 4
Unità n. 5
Unità n. 6
Unità n. 7
Fase 3
Durata e costo previsto
Durata
Mesi 8
Costo previsto
Euro 227.000
Descrizione
Testo italiano
La terza fase del progetto DRIVING riguarda la implementazione, la simulazione e la validazione sperimentale dei risultati della
Fase 2, sfruttando la struttura integrata del progetto dei laboratori. Le attivita' dei singoli Workpackage sono descritti in dettaglio
nei modelli B delle unità coordinatrici. Di seguito si riporta solo una descrizione generale delle attivita' della terza fase del
progetto:
Mesi 13-15:
- progetti e simulazioni dei dispositivi;
- prototipazione del software per suqadre di robot mobil;
- sviluppo di algoritmi basati sulle metodologie sviluppate;
Mesi 13-20: Messa a punto di protocolli per la validazione sperimentale dei risultati ottenuti.
Testo inglese
The third phase of the DRIVING program deals with simulations and experimental validation of solutions resulting from Phase 2,
exploiting using the integrated laboratory structure of the project. The activities of each single Workpackage are described in detail
in the Forms B of the partners coordinating the Workpackages. A general description of the third phase follows:
Months 13-15:
- device design and simulations;
- software prototyping for teams of mobile robot;
- development of algorihms based on developed methodologies.
Months 13-20: Set-up of protocols for experimental validation of the achieved results.
Risultati parziali attesi
Testo italiano
I risultati parziali attesi per questa fase sono descritti in modo succinto per ogni Workpackage, a prescindere da quale gruppo le
otterrà. Per una descrizione piu' dettagliata facciamo riferimento al modello B di ciascun gruppo.
MUSTANG:
- Realizzazione di tecniche di controllo per robot mobili utilizzando la fusione sensoriale dei dati ottenuti da una piattaforma
inerziale e un ricevitore GPS;
- Simulazione di algoritmi di fusione sensoriale con i modelli identificati;
- Integrazione di sensori eterocettivi (forza/coppia, visione) nell'architettura di controllo distribuita;
- Realizzazione dei primi prototipi;
TOLER:
- Riconoscimento e isolamento di guasti temporanei di sensori e attuatori in robot mobili pilotati in velocita' e relative stategie FTC;
- Implementazione su MagellanPro;
- Simulazione e test hardware-in-the-loop;
- Sviluppo di software di comando in tempo reale (linguaggio C) per gli algoritmi sviluppati nelle fasi precedenti;
- Verifica preliminare sull'installazione sperimentale del laboratorio PRISMA;
MIUR - BANDO 2003
- 19 -
PARTE II
,
Ministero dell Istruzione,
dell ,Università e della Ricerca
- Sviluppo di metodologie di controllo riconfigurabile per sistemi multi-robot basate su tecniche di FD;
- Test di simulazione (MATLAB/SIMULINK);
VISE
- Simulazione e implementazione di compiti di intercettamento su SuperMARIO;
- Realizzazione di algoritmi di docking visuale su MagellanPro;
- Implementazione dei generatori visuali di traiettorie su AIBO;
- Realizzazione di esperimenti di asservimento visuale di veicoli robotici su retroazione visiva;
- Sviluppo di software di comando in tempo reale (linguaggio C) per gli algoritmi sviluppati nelle fasi precedenti e verifica
preliminare sull'installazione sperimentale del laboratorio PRISMA;
MULTIR:
- Codifica degli algoritmi sul set-up sperimentale;
- Esperimenti su architetture multi agenti per la navigazione e la costruzione di mappe in ambienti strutturati;
- Realizzazione di primi prototipi sperimentali;
LOCOM:
- Creazione di una libreria Dymola di modelli dinamici di robot mobili;
- Simulazione delle tecniche messe a punto e loro implementazione sui robot Koala (controllori WMRs), AIBO (controllori LMRs) e
sul prototipo bipede in realizzazione presso l'Universita' di Catania;
- Implementazione sperimentale di algoritmi di controllo del moto coordinato di una squadra di piattaforme mobili;
- Codifica e taratura dei guadagni per un controllore fuzzy progettato per Magellan Pro;
- Validazione del codice di simulazione prodotto;
- Verifica in simulazione delle strutture di controllo ibrido precedentemente sviluppate per i diversi contesti applicativi considerati;
SLAMS:
- Metodi di ottimizzazione dell'esplorazione ad orizzonte recessivo;
- Integrazione di un esperimento di localizzazione e navigazione in ambiente strutturato (uffici dipartimentali);
- Integrazione dello SLAM con l'asservimento visuale;
- Implementazione della tecnica di localizzazione e mappatura simultanea di ambienti a geometria non-smooth su MagellanPro;
- Implementazione di metodi per la localizzazione in ambienti naturali sulla piattaforma ROBOVOLC;
- Codifica e taratura dei guadagni degli algoritmi di simultanea mappatura e localizzazione;
MOBIL:
- Integrazione delle interfacce utente con il sistema di navigazione della carrozzella ed il manipolatore di servizio e prime verifiche
sperimentali;
- Codifica e taratura di un algoritmo di localizzazione;
- Sviluppo di metodologie di controllo dell'interazione di manipolatori a giunti/bracci flessibili.
Testo inglese
Expected results for this phase are succintly described for each WP, even if they will be obtained from different partners. For a more
detailed descriprion we refer to the form B of the single partners.
MUSTANG:
- realization of mobile robots control techniques with sensors fusion obtained from an inertial platform and a GPS receiver;
- Simulation of sensor fusion algorithms with the identified models;
- Integration of heteroceptive sensors (force/torque, visual sensors) in the distributed control architecture;
- Development of prototypes.
TOLER:
- Detection and isolation of sensor and actuator transient faults in mobile robots and associated FTC strategies;
- Implementation on MagellanPro;
- Simulation and hardware-in-the-loop test;
- Development of real-time control software (C language) implementing the algorithms developed in the previous phases;
- Preliminary verification on the PRISMA laboratory experimental set-up;
- Development of reconfigurable control strategies for multi-robot systems based on FD techniques;
- Simulation tests (MATLAB/SIMULINK);
VISE
- Simulation and implementation of intercepting tasks on SuperMARIO;
- Realization of visual docking on MagellanPro;
- Implementation of vision-based trajectory generation on AIBO;
- Experiments of visual servoing on mobile robots with vision feedback;
- Development real-time control software (C language) implementing the algorithms developed in the previous phases and
preliminary verification on the PRISMA laboratory experimental set-up;
MULTIR:
- Implementation of the algorithms on the experimental set-up;
- Experiments of multi-agents architectures for navigation and maps building in structured environment;
– Development of experimental prototypes.
LOCOM:
- Creation of a Dymola library of dynamic models of WMRs and LMRs.
MIUR - BANDO 2003
- 20 -
,
Ministero dell Istruzione,
dell ,Università e della Ricerca
PARTE II
- Simulation of the proposed techniques and implementation on the following robots: Koala (WMR control), AIBO (LMR control)
and the biped prototype being realized at the University of Catania;
- Development of coordinated motion control algorithms for a set of mobile platforms;
- Implementation and tuning of a fuzzy control algorithm designed for the Magellan Pro;
- Validation of the developed simulation code;
- Simulation testing of hybrid control structures previously developed, for the different applications considered.
SLAMS:
- Receding-horizon optimization methods for exploration;
- Experiments of localization and navigation in a structured environment (office space);
- Integration of SLAM with visual servoing;
- Implementation of the SLAM technique for non-smooth environments on MagellanPro.
- Implementation of SLAM in natural environments on the ROBOVOLC platform;
- Implementation and tuning of simultaneous localization, mapping, and servoing algorithms;
MOBIL:
- Integration of users interfaces with the wheelchair navigation system and the service manipulator and preliminary experimental
validations;
- Implementation and tuning of a localization algorithm;
- Development of control strategies for managing the interaction of flexible manipulators with a compliant environment.
Unità di Ricerca impegnate
Unità n. 1
Unità n. 2
Unità n. 3
Unità n. 4
Unità n. 5
Unità n. 6
Unità n. 7
Fase 4
Durata e costo previsto
Durata
Mesi 4
Costo previsto
Euro 130.200
Descrizione
Testo italiano
La quarta fase riguarda la conclusione del progetto con l'obiettivo primario della divulgazione dei risultati:
Mesi 21-24:
- Sperimentazione finale e validazione dei risultati;
- Integrazione dei contributi con le unita' di ricerca collaboratrici;
- Messa a punto finale della struttura informativa per la divulgazione dei risultati;
- Preparazione delle relazioni interne e delle pubblicazioni.
Testo inglese
The forth phase regards the conclusion of the project with the primary goal of disseminating the results:
Months 21-24:
- Final experimentation and results validation;
- Integration of contributions from cooperating research partners;
- Final setup of the information structure for dissemination of results;
- Preparation of reports and publications.
MIUR - BANDO 2003
- 21 -
PARTE II
,
Ministero dell Istruzione,
dell ,Università e della Ricerca
Risultati parziali attesi
Testo italiano
I risultati attesi per la quarta fase sono:
- Preparazione dei rapporti di progetto;
- Preparazione di articoli e testi scientifici riguardanti le ricerche condotte nel progetto;
-Preparazione di materiale divulgativo su supporto tradizionale (stampa pubblicistica) e via rete, destinato ad un pubblico tecnico di
non addetti alla ricerca;
Testo inglese
Results expected in the fourth and last phase inlcude
-Preparation of final reports of th eproject;
-Preparation of papers and monographies concerning the scientific results brought forward within the program;
-Preparation of illustrative material, targeted to technical but not research-oriented persons, either by traditional media (public
press, TV documentaries, etc.) and via the web.
Unità di Ricerca impegnate
Unità n. 1
Unità n. 2
Unità n. 3
Unità n. 4
Unità n. 5
Unità n. 6
Unità n. 7
2.5 Criteri suggeriti per la valutazione globale e delle singole fasi
Testo italiano
La valutazione del progetto puo' essere fatta preventivamente, in itinere, oppure ex post. Si ritiene che si debbano fornire criteri di
valutazione riferiti a tali ipotesi.
Criteri di valutazione preventiva del progetto:
La valutazione preventiva potrà riguardare:
a. La qualità e la quantità degli apporti dati dai proponenti alla ricerca scientifica nel settore della robotica in generale e della
robotica distribuita in particolare così come si evince dai riferimenti riportati e dalla letteratura tecnica nota a chi giudica il
programma;
b. Il grado di omogeneità metodologica e complementarietà scientifica che si puo' evidenziare nelle conoscenze disciplinari, negli
interessi scientifico-tecnici e negli intenti generali dei proponenti;
c. Le prospettive di accrescimento della conoscenza sia accademica sia tecnico-applicativa;
d. Le prospettive di ampliamento e completamento dei laboratori universitari implicati e di potenziamento in termini di qualità e
quantità delle attività sperimentali connesse alla ricerca. In questo quadro sono da valutare altresì le ricadute sulla didattica;
e. Il confronto con i progetti noti ed operanti in campo nazionale ed internazionale.
Criteri per la valutazione in itinere o ex post:
Si tratta in generale di valutare i risultati indicati nel progetto al termine di ciascuna fase ricorrendo agli strumenti che seguono:
a. Esame delle pubblicazioni scientifiche, del loro contenuto e della sede di pubblicazione;
b. Verifica dell'attuazione dei convegni previsti dal progetto e riscontro dei risultati in tali sedi riportati;
c. Verifica della struttura informatica di rete e della disponibilita` dei Rapporti di Progetto, in formato elettronico, con il resoconto
dei risultati conseguiti (www-lar.deis.unibo.it/driving);
d. Valutazione della qualità e della significatività delle sperimentazioni che saranno condotte sia dalle singole unità autonomamente,
sia da gruppi appartenenti a più unità;
e. Valutazione della qualita' dei testi con i quali, al termine del progetto, si intende diffondere i risultati delle ricerca anche in
ambienti non accademici o di ricerca. La massima attenzione sarà posta sugli aspetti relativi al trasferimento della innovazione.
Testo inglese
The evaluation of the Program can be carried out at two different stages: in advance or in progress/after the project. Criteria for
both cases will be provided in the following.
Criteria for advance Program evaluation:
• The quality and quantity of the contributions given by the participants to the scientific research in the international field of
robotics, as it can be inferred from the references quoted as well as from the literature known to the reviewers.
• The degree of homogeneity regarding the knowledge in the specific area of robot control, as well as in the scientific and technical
interests, and in the general intentions of the proponents.
• The perspectives of knowledge growth from both the academic viewpoint and the application viewpoint.
MIUR - BANDO 2003
- 22 -
PARTE II
,
Ministero dell Istruzione,
dell ,Università e della Ricerca
• The perspectives of enlargement and completion of the involved university laboratories as well as of enforcement in qualitative
and quantities terms of the experimental activities connected to the research.
• Comparison with known and operative international projects in the field.
Criteria for in progress/after evaluation
The goal is to evaluate the results of the Program at the end of each single phase, by making use of the following tools:
• Evaluation of the scientific publications, their contents and the relevance of the journal or conference.
• Verification of the actual occurrence of the planned workshops and evaluation of the results reported therein.
• Evaluation of the quality and significance of the experimental tests that will be carried out both from single Units, autonomously,
and from groups collecting several Units.
• Evaluation of the quality of the publications by which, at the end of the Program, the achieved results will be disseminated both in
academy and outside. Major attention will be given to the aspects related to transfer of innovation.
MIUR - BANDO 2003
- 23 -
,
Ministero dell Istruzione,
dell ,Università e della Ricerca
PARTE III
3.1 Spese delle Unità di Ricerca
Unità di
Ricerca
Materiale
Grandi
inventariabile Attrezzature
Unità nº 1
Unità nº 2
Unità nº 3
Unità nº 4
Unità nº 5
Unità nº 6
Unità nº 7
12.300
37.000
21.000
36.000
35.000
20.000
25.000
186.300
Voce di spesa
Spese per
Personale Servizi Missioni
calcolo ed
a
esterni
elaborazione contratto
dati
3.000
48.000
0 35.000
0
12.000
0 33.000
2.500
32.000 2.000 18.000
500
48.000
0 13.500
0
42.500
0 22.000
4.000
33.000 1.200 27.000
4.500
19.500
0 30.000
14.500 235.000 3.200 178.500
Materiale di
consumo e
funzionamento
0
0
0
0
0
0
0
0
3.000
6.000
4.500
1.000
5.000
2.000
7.000
28.500
TOTALE
Partecipazione /
Organizzazione
convegni
5.000
11.000
4.500
10.000
5.500
10.000
7.000
53.000
Pubblicazioni Altro
0
4.000
0
500
0
5.300
2.000
11.800
18.700
7.000
34.700
500
0
8.500
15.000
84.400
125.000
110.000
119.200
110.000
110.000
111.000
110.000
795.200
3.2 Partecipazione finanziaria
Il coordinatore certifica che il progetto ha carattere di originalità e non è finanziato o cofinanziato da altre
amministrazioni pubbliche (art. 4 bando 2003)
SI
3.3 Costo complessivo del Programma di Ricerca e risorse disponibili
Unità di Ricerca
Unità n. 1
Unità n. 2
Unità n. 3
Unità n. 4
Unità n. 5
Unità n. 6
Unità n. 7
RD
RA
RD+RA
3.800
11.200
12.400
28.900
19.700
17.000
33.000
126.000
33.700
21.800
24.800
4.100
13.300
17.000
0
114.700
37.500
33.000
37.200
33.000
33.000
34.000
33.000
240.700
Voce di spesa
Cofinanziamento Cofinanziamento Costo totale
di altre
richiesto al
del
amministrazioni
MIUR
programma
pubbliche
0
87.500
125.000
0
77.000
110.000
0
82.000
119.200
0
77.000
110.000
0
77.000
110.000
0
77.000
111.000
0
77.000
110.000
0
554.500
795.200
Costo
minimo
93.000
80.000
90.000
85.000
80.000
80.000
85.000
593.000
Euro
MIUR - BANDO 2003
Costo complessivo del Programma
795.200
Fondi disponibili (RD)
126.000
Fondi acquisibili (RA)
114.700
Cofinanziamento di altre amministrazioni
pubbliche (art. 4 bando 2003)
0
Cofinanziamento richiesto al MIUR
554.500
- 24 -
,
Ministero dell Istruzione,
dell ,Università e della Ricerca
PARTE III
3.4 Costo minimo per garantire la possibilità di verifica dei risultati
Euro 593.000
Euro 593.000
(dal sistema, quale somma delle indicazioni dei Modelli B)
(dal Coordinatore del Programma)
(per la copia da depositare presso l'Ateneo e per l'assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i programmi
finanziati; legge del 31.12.96 n° 675 sulla "Tutela dei dati personali")
Firma _____________________________________
MIUR - BANDO 2003
Data 31/03/2003 ore 17:04
- 25 -
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