TELEOPERAZIONE APTICA HUMAN-AWARE PER INTERAZIONI SICURE E DESTRE

ROBOTICS IS A KEY PILLAR OF THE ONGOING FOURTH INDUSTRIAL REVOLUTION, WITH ROBOTS REQUIRED TO PERFORM COMPLEX TASKS OFTEN INVOLVING PHYSICAL INTERACTION WITH HUMANS. AN EFFECTIVE DEPLOYMENT OF SUCH INTERACTION REQUIRES THE FULFILLMENT OF SAFETY AND DEPENDABILITY REQUIREMENTS. IN THIS CONTEXT, HAPTIC TELEOPERATION HAS EMERGED AS ONE OF THE MOST ADVANCED MODALITIES OF PHYSICAL HUMAN–ROBOT INTERACTION. THE BIDIRECTIONAL NATURE OF HAPTIC BILATERAL TELEOPERATION SYSTEMS INTRODUCES SEVERAL CHALLENGES IN TERMS OF STABILITY AND USABILITY, ARISING FROM THE STRONG COUPLING OF THE DIFFERENT ENTITIES AND BY THE PRESENCE OF UNRELIABLE NETWORK CONDITIONS IN THE COMMUNICATION CHANNEL CONNECTING THEM. IN SUCH A SCENARIO, THIS DISSERTATION CONTRIBUTES TO THREE FUNDAMENTAL ASPECTS IN THE DESIGN OF HUMAN-AWARE HAPTIC BILATERAL TELEOPERATION SYSTEMS: HAPTIC FEEDBACK RENDERING, INTERACTION CONTROL, AND MAPPING AND SCALING TECHNIQUES, WITH AN EMPHASIS ON THEIR INTEGRATION TO ENSURE SAFE AND EFFECTIVE TASK EXECUTION. A FIRST CONTRIBUTION IS THE ASSESSMENT OF HAPTIC TELEOPERATION UNDER TIME DELAYS, HIGHLIGHTING HOW HAPTIC FEEDBACK IMPROVES THE SAFETY OF THE CONSIDERED TASK, INCREASES HUMAN AWARENESS, ALLOWING TO COMPENSATE FOR COMMUNICATION DELAYS, AND IMPROVES THE USABILITY OF THE SYSTEM. BUILDING ON THIS ANALYSIS, TWO NOVEL HAPTIC BILATERAL TELEOPERATION SYSTEMS FOR PRECISION TASKS ARE PROPOSED. THE FIRST LEVERAGES A VIRTUALIZED FORCE FEEDBACK THAT ENABLES A NATURAL PERCEPTION OF CONTACT STATES, INCREASING HUMAN OPERATOR AWARENESS AND SYSTEM STABILITY. FURTHERMORE, IT INTEGRATES AN INTERACTION FORCE LIMITATION STRATEGY, TO ENHANCE TASK SAFETY. THE SECOND, CONCEIVED FOR FREE-HAND DENTAL PROCEDURES, INTEGRATES THE VIRTUALIZED FORCE FEEDBACK WITH AN EYE–HAND COORDINATION MAPPING STRATEGY, ENABLING THE HUMAN OPERATOR TO PERCEIVE THE MOTION CORRESPONDENCE BETWEEN THEIR MOVEMENTS AND THOSE OF THE END-EFFECTOR OBSERVED IN THE VIEW OF AN EYE-IN-HAND CAMERA, PRESERVING MANUAL DEXTERITY AND EXPERTISE. SUCH SYSTEM LEVERAGES A NOVEL FORCE LIMITATION STRATEGY, ENSURING PROCEDURAL SAFETY ALSO IN HIGHLY UNSTRUCTURED ENVIRONMENTS. EXPERIMENTAL VALIDATION OF BOTH SYSTEMS DEMONSTRATES IMPROVEMENTS IN ACCURACY, SAFETY, AND USABILITY OF THE SYSTEM, COMPARED TO STATE-OF-THE-ART APPROACHES. FURTHERMORE, THE LATTER WAS CLINICALLY EVALUATED WITH 19 DENTISTS, WHO PERFORMED FOUR DENTAL SCALING PROCEDURES ON A RESIN MODEL USING THE SYSTEM EQUIPPED WITH AN ACTIVE DENTAL SCALER. THE STUDY CONFIRMED THE FEASIBILITY OF THE SYSTEM FOR FREE-HAND DENTAL PROCEDURES AND SHOWED CONSISTENT PERFORMANCE ACROSS ALL USER GROUPS. PARTICIPANTS EFFECTIVELY COMPLETED THE TASKS AND REPORTED HIGH USABILITY AND COMFORT, HIGHLIGHTING THE POTENTIAL OF THIS SYSTEM AS A RELIABLE AND INTUITIVE PLATFORM FOR BOTH CLINICAL AND EDUCATIONAL APPLICATIONS. FINALLY, ON THE TOPIC OF HUMAN SUPERVISORY CONTROL, THIS THESIS PRESENTS A NOVEL CONTROL FRAMEWORK AND A ROBOTIC SYSTEM FOR DEPENDABLE ROBOTIZED BOLTING OPERATIONS, INTEGRATING STATE-OF-THE-ART COMPONENTS WITH A MULTIMODAL HUMAN-ROBOT INTERFACE AND A SUPERVISOR ORCHESTRATING THEM. EXPERIMENTAL EVALUATION ON A REPRESENTATIVE BOLTING TASK CONFIRMS THAT THIS APPROACH ENABLES DEPENDABLE EXECUTION, RELIABLE FAULT DETECTION, AND EFFECTIVE OPERATOR INTERVENTION. OVERALL, THE RESULTS DEMONSTRATE THAT INTEGRATING HUMAN SUPERVISION WITH DIRECT CONTROL CAPABILITIES ENHANCES SYSTEM SAFETY AND DEPENDABILITY. IN CONCLUSION, THE RESULTS ACHIEVED IN THIS DISSERTATION SHOW THAT DESIGNING HUMAN-AWARE HAPTIC TELEOPERATION SYSTEMS, WITH NOVEL STRATEGIES FOR HAPTIC FEEDBACK RENDERING, INTERACTION CONTROL, MAPPING AND SCALING, SIGNIFICANTLY IMPROVES BOTH SAFETY AND USABILITY IN INTERACTION TASKS, AND PAVES THE WAY FOR NEW APPROACHES TO TRANSFERRING HUMAN KNOWLEDGE TO THE ROBOT, BRIDGING THE GAP BETWEEN DIRECT HUMAN CONTROL AND AUTONOMOUS ROBOTIC

LA ROBOTICA RAPPRESENTA UNO DEI PILASTRI DELLA QUARTA RIVOLUZIONE INDUSTRIALE, NELLA QUALE AI ROBOT È RICHIESTO DI SVOLGERE COMPITI COMPLESSI CHE SPESSO IMPLICANO UN'INTERAZIONE FISICA CON L'ESSERE UMANO. UN'IMPLEMENTAZIONE EFFICACE DI TALE INTERAZIONE RICHIEDE IL SODDISFACIMENTO DI REQUISITI DI SICUREZZA E AFFIDABILITÀ. IN QUESTO CONTESTO, LA TELEOPERAZIONE APTICA È EMERSA COME UNA DELLE MODALITÀ PIÙ AVANZATE DI INTERAZIONE FISICA UOMO–ROBOT. LA NATURA BIDIREZIONALE DI TALI SISTEMI INTRODUCE DIVERSE CRITICITÀ IN TERMINI DI STABILITÀ E USABILITÀ, DOVUTE AL FORTE ACCOPPIAMENTO TRA LE DIVERSE ENTITÀ E ALLA PRESENZA DI CONDIZIONI DI RETE NON AFFIDABILI NEL CANALE DI COMUNICAZIONE CHE LE COLLEGA. IN TALE SCENARIO, QUESTA TESI CONTRIBUISCE A TRE ASPETTI FONDAMENTALI NELLA PROGETTAZIONE DI SISTEMI DI TELEOPERAZIONE APTICA BILATERALE HUMAN-AWARE: LA RESA DEL FEEDBACK APTICO, IL CONTROLLO DELL'INTERAZIONE E LE TECNICHE DI MAPPATURA, CON PARTICOLARE ENFASI SULLA LORO INTEGRAZIONE PER GARANTIRE UN'ESECUZIONE SICURA ED EFFICACE DEI COMPITI. UN PRIMO CONTRIBUTO CONSISTE NELLA VALUTAZIONE DELLA TELEOPERAZIONE APTICA IN PRESENZA DI RITARDI TEMPORALI, EVIDENZIANDO COME IL FEEDBACK APTICO MIGLIORI LA SICUREZZA DEL COMPITO CONSIDERATO, AUMENTI LA CONSAPEVOLEZZA DELL'OPERATORE UMANO, CONSENTENDO DI COMPENSARE I RITARDI DI COMUNICAZIONE, E MIGLIORI L'USABILITÀ DEL SISTEMA. SULLA BASE DI TALE ANALISI, VENGONO PROPOSTI DUE NUOVI SISTEMI DI TELEOPERAZIONE APTICA BILATERALE PER COMPITI DI PRECISIONE. IL PRIMO SFRUTTA UN FEEDBACK DI FORZA VIRTUALIZZATO CHE CONSENTE UNA PERCEZIONE NATURALE DEGLI STATI DI CONTATTO, AUMENTANDO LA CONSAPEVOLEZZA DELL'OPERATORE E LA STABILITÀ DEL SISTEMA. INOLTRE, INTEGRA UNA STRATEGIA DI LIMITAZIONE DELLA FORZA DI INTERAZIONE PER MIGLIORARE LA SICUREZZA DEL COMPITO. IL SECONDO, CONCEPITO PER PROCEDURE ODONTOIATRICHE A MANO LIBERA, INTEGRA IL FEEDBACK DI FORZA VIRTUALIZZATO CON UNA STRATEGIA DI MAPPATURA BASATA SULLA COORDINAZIONE OCCHIO–MANO, PERMETTENDO ALL'OPERATORE DI PERCEPIRE LA CORRISPONDENZA TRA I PROPRI MOVIMENTI E QUELLI DELL'END-EFFECTOR OSSERVATO ATTRAVERSO LA VISTA DI UNA CAMERA EYE-IN-HAND, PRESERVANDO DESTREZZA MANUALE ED EXPERTISE. TALE SISTEMA SFRUTTA UNA NUOVA STRATEGIA DI LIMITAZIONE DELLA FORZA, GARANTENDO LA SICUREZZA PROCEDURALE ANCHE IN AMBIENTI ALTAMENTE NON STRUTTURATI. LA VALIDAZIONE SPERIMENTALE DI ENTRAMBI I SISTEMI DIMOSTRA MIGLIORAMENTI IN TERMINI DI ACCURATEZZA, SICUREZZA E USABILITÀ RISPETTO AGLI APPROCCI ALLO STATO DELL'ARTE. INOLTRE, IL SECONDO SISTEMA È STATO VALUTATO CLINICAMENTE CON 19 ODONTOIATRI, CHE HANNO ESEGUITO QUATTRO PROCEDURE DI DETARTRASI SU UN MODELLO IN RESINA. I PARTECIPANTI HANNO COMPLETATO EFFICACEMENTE I COMPITI E RIPORTATO ELEVATA USABILITÀ E COMFORT. INFINE, IN TEMA DI CONTROLLO SUPERVISIVO UMANO, QUESTA TESI PRESENTA UN NUOVO FRAMEWORK DI CONTROLLO E UN SISTEMA ROBOTICO PER OPERAZIONI DI AVVITATURA ROBOTIZZATA AFFIDABILI, INTEGRANDO COMPONENTI ALLO STATO DELL'ARTE CON UN'INTERFACCIA UOMO–ROBOT MULTIMODALE E UN SUPERVISORE INCARICATO DI COORDINARLE. LA VALUTAZIONE SPERIMENTALE SU UN COMPITO RAPPRESENTATIVO DI AVVITATURA CONFERMA CHE TALE APPROCCIO CONSENTE UN'ESECUZIONE AFFIDABILE, UN RILEVAMENTO DEI GUASTI ROBUSTO E UN INTERVENTO EFFICACE DELL'OPERATORE. NEL COMPLESSO, I RISULTATI DIMOSTRANO CHE L'INTEGRAZIONE DELLA SUPERVISIONE UMANA CON CAPACITÀ DI CONTROLLO DIRETTO MIGLIORA LA SICUREZZA E L'AFFIDABILITÀ DEL SISTEMA. IN CONCLUSIONE, I RISULTATI OTTENUTI IN QUESTA TESI MOSTRANO CHE LA PROGETTAZIONE DI SISTEMI DI TELEOPERAZIONE APTICA HUMAN-AWARE, BASATI SU NUOVE STRATEGIE DI RESA DEL FEEDBACK APTICO, CONTROLLO DELL'INTERAZIONE E MAPPATURA, MIGLIORA SIGNIFICATIVAMENTE SIA LA SICUREZZA SIA L'USABILITÀ NEI COMPITI DI INTERAZIONE E APRE LA STRADA A NUOVI APPROCCI PER IL TRASFERIMENTO DELLA CONOSCENZA UMANA AL ROBOT, COLMANDO IL DIVARIO TRA CONTROLLO UMANO DIRETTO E COMPORTAMENTO ROBOTICO AUTONOMO.