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La Robotica: teorie, modelli ed applicazioni Bergamo, 8 maggio 2015 Jacopo Zenzeri FORMAZIONE DOCENTI GENERAZIONE WEB

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La Robotica: teorie, modelli ed

applicazioni

Bergamo, 8 maggio 2015

Jacopo Zenzeri

FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

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08/05/20152

FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

Outline

L’Istituto Italiano di Tecnologia e la robotica

I robot e la visione europea della robotica

La riabilitazione robotica

Caso di studio 1: Riabilitazione della propriocezione

Caso di studio 2: Collaborazione con i robot

Caso di studio 3: Modelli computazionali del cervello per la robotica

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

L’Istituto Italiano diTecnologia e la robotica

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IIT: Istituto Italiano di Tecnologia

http://www.iit.it

08/05/20154

FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

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IIT: Istituto Italiano di Tecnologia

Piano strategico 2015-2017

http://www.iit.it

08/05/20155

FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

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-1: Nanobiotechnologies Facilities: Clean Room, Microscopy Labs, Optical Labs and Animal Facility

0: Administration, Offices

1: Administration, Drug Discovery and Development Labs, Offices

2: Neuroscience and Brain Technologies Labs, Offices

3: Robotics departments Labs and Offices

4: Robotics departments Labs and Offices

5: Nanobiotechnologies Facilities (Chemistry, Biology Labs, Offices)

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IIT: Istituto Italiano di Tecnologia

Sede centrale di Genova

FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

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08/05/20157

IIT: Istituto Italiano di Tecnologia

Sede centrale di Genova

FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

RBCS (Prof. Giulio Sandini)

ROBOTICS, BRAIN and COGNITIVE SCIENCES department

Cognitive Humanoids

Dynamic Touch and Interaction

Mirror Neurons and Interactions

Motor Learning and Robotic Rehabilitation

Physiology of Action and Perception

Visuo-Haptic Perception

Soft Materials Design

Brain Machine Interface

Magnetic Resonance Imaging

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Motor Learning and Robotic Rehabilitation Laboratory (MLRR)

RIABILITAZIONE

NEUROMOTORIA

MECCANISMI DI

APPRENDIMENTO

MOTORIO

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

MLRR Lab

Pietro Morasso (Senior Scientist)

Jacopo Zenzeri (Senior Post Doctoral Researcher)Valentina Squeri (Senior Post Doctoral Researcher)

Dalia De Santis (Junior Post Doctoral Researcher)

Anna Cuppone (PhD Student)Francesca Marini (PhD Student)Edwin Avila (PhD Student)

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

I robot e la visioneeuropea della robotica

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Robot VS Macchine

MACCHINE

any device that uses energy to perform some activity. Machines are pre-programmed to follow operations (AUTOMATED MACHINES)

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

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ROBOT

machines that are able to sense and react to the environment in order to carry out a complex task autonomously. They are endowed with some forms of artificial intelligence

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Robot VS Macchine

FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

I robot in IIT

iCub

HyQ

COMAN

WristBot

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

La Robotica: la visione dell’Europa nel 2015

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

La Robotica: la visione dell’Europa nel 2015

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

La Robotica: la visione dell’Europa nel 2015

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

La riabilitazione robotica

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Riabilitazione robotica

“Rehabilitation robotics is the use of robotics technology to help restoring function to a person with a physical disability.” [International Rehabilitation Robotics

organization]

1. Assistive: to help someone to do a task (such as feeding)

2. Prosthetic: to replaces the function of a part of the body (such as an artificial arm)

3. Therapeutic: to helps to improve or recover the function so that they no longer need the robotic device (such as robotic training environment).

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

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Robot prostetici

John Hopkins university, modular prosthetic arm

DEKA Research arm at The Rehabilitation Institute of Chicago

SoftHandIIT

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Robot terapeutici

MIT manus: manipulandum for upper limb rehabilitation

G-EO, end effector robot for gait rehabilitation

Lokomat, HocomaGait exosckeleton

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Interazione fisica Uomo-Robot

UOMO

ROBOT

UOMO

ROBOT

UOMO

ROBOT

Robot passivo Robot attivo Interattiva/proattiva

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Neural plasticity Our neural system develops since infancy and goes through a life-long

process of use-dependent structural and functional reorganization.

Motor Adaptation Motor Learning

Skills are learned over long time windows and result in long-lasting improvements

Skills are temporarily modulated to adapt to environmental changes. Adaptation is easily reversible

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Neural plasticity SLACKING EFFECT

Our motor system behaves like a ‘greedy optimizer’: tends to decrease voluntary control during repetitive, passive mobilizations

PASSIVE vs ACTIVE rehabilitation:Mobilization is always beneficial, but voluntary control is the engine that moves plastic modulation.

Paradigma di assistenza minima

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Bidirectionality

Our sensorimotor systems is able to accurately plan and generate actions as well as predict and interpret their sensory consequences on the environment.

Action and perception share the same representation and act together to drive learning/relearning of task oriented actions

KINESTHETIC SENSE

It refers to the ability to detect the spatial position and/or movement of limbs in relation of the rest of the body in absence of

visual input

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Haptic interfaces

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Braccio di Ferro

Bimanual 2-dofs end-effector robot for shoulder-elbow coordinated movements

• Fully Back-driveable• Direct drive brushless motors• Minimal endpoint friction and

inertia• Impendance control

80 x40 cmworkspace

F > 50N(200N peak)

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WristBot

3-dofs exoskeleton for wrist manipulation:

(1) Adduction/abduction(2) Flexion/Extension(3) Pronation/Supination

4 brushless motors

Fields of use: Stroke, Orthopedic rehab.,neurological pediatric subjects

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

Caso di studio 1: Riabilitazione della propriocezione

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

Time [s]0.5 1 1.5 2 2.5 3

200 ms

Holding force

Setup sperimentale: paradigma di assistenza pulsata

1) Minimizing the force provided by the robot at the interface with the subject

2) Providing the subject with maximal kinesthetic information

3) Assisting the movement in a safe but effective manner

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AC index Measure of coherence between passive and active hand

displacement directions with respect to the applied force

Time [s]

n = total impulse numberM = samples per impulse periodv = hand instantaneous velocity

0 0.5 1 1.50

0.5

1

t [s]

P(t

) [N

]

A(t)[N]

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

Percezione della forzaanisotropica

Risultati con soggetti sani

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

Risultati con pazienti post-ictus

The force is minimized keeping the sensation

accurate

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

Caso di studio 2: Collaborazione con i robot

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

Strategie di controllo neurale dei movimenti

Stiffness StabilizationStrategy (SSS)

angle sway :θ

Positional StabilizationStrategy (PSS)

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

Setup sperimentale

Virtual Underactuated Bimanual Manipulandum

Virtual non linear springs

Real Bimanual Manipulandum

Virtual unstable force field

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

Dalla interazione uomo-robot alla collaborazione uomo-uomo

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

Caso di studio 3: Modelli computazionali del cervello

per la robotica

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

Il concetto di Body Schema

345

TargetT

T

t10

T

t15

T

t6)t(

)1()t(

xxKΓ(t)JAJx

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

Formazione di sinergie nel Whole Body Reaching

Dalla postura al movimento

1 DOF n DOF

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

P

T

PP

F

Target

F

T

FF

PF

345

FF

BJJ

xxKJ

T

t10

T

t15

T

t6)t(

)1()t(

AΓ(t)Jx

Il nuovo modello

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

Scrittura corsiva

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FORMAZIONE DOCENTI – GENERAZIONE WEB

Riferimenti

De Santis, D., Zenzeri, J., Casadio, M., Masia, L., Riva, A., Morasso, P. & Squeri, V. (2015). Robot-assisted training of thekinesthetic sense: enhancing proprioception after stroke. Frontiers in Human Neuroscience 8:1037. doi:10.3389/fnhum.2014.01037.Morasso, P., Casadio, M., Mohan, V., Rea, F. & Zenzeri, J. (2015). Revisiting the body-schema concept in the context of Whole-Body Postural-Focal Dynamics. Frontiers in Human Neuroscience 9:83. doi: 10.3389/fnhum.2015.00083.Morasso, P., Casadio, M., De Santis, D., Nomura, T., Rea, F. & Zenzeri, J. (2014). Stabilization strategies for unstable dynamics.Journal of Electromyography and Kinesiology, 24(6):803-814.Zenzeri, J., De Santis, D. & Morasso, P. (2014). Strategy Switching in the Stabilization of Unstable Dynamics. PLoS ONE 9(6):e99087. doi:10.1371/journal.pone.0099087.De Santis, D., Zenzeri, J., Casadio, M., Masia, L., Morasso, P. & Squeri, V. (2014). A new method for evaluating kinestheticacuity during haptic interaction. Robotica, available on CJO2014. doi:10.1017/S0263574714002252.De Santis, D., Zenzeri, J., Casadio, M., Masia, L., Squeri, V. & Morasso, P. (2014). Characterizing the human-robot haptic dyad inrobot therapy of stroke survivors. International Journal of Intelligent Computing and Cybernetics, Special issue on RoboticRehabilitation and Assistive Technologies, 7(3), 267-288.Zenzeri, J., De Santis, D., Mohan, V., Casadio M. & Morasso, P. (2013). Using the Functional Reach Test for probing the staticstability of bipedal standing in humanoid robots based on the Passive Motion Paradigm. Journal of Robotics, Volume 2013,Article ID 126570, 8 pages.Zenzeri, J., Basteris, A., Kostic, M., Popovic, D. B., Sanguineti, V., Mohan, V. & Morasso, P. (2011). Transferring complex motorskills from an expert to a novice through robotics platforms: a new methodology to approach neuromotor rehabilitation.Abstracts/Gait and Posture, 33(1), S51-S52.Mohan, V., Morasso, P., Zenzeri, J., Metta, G., Chakravarthy, V. S. & Sandini, G. (2011). Teaching a humanoid robot to draw’Shapes’. Autonomous Robots. 31(1), 21-53.Morasso, P., Casadio, M., Mohan, V. & Zenzeri, J. (2010). A neural mechanism of synergy formation for whole body reaching.Biological Cybernetics, 102, 45-55.

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[email protected]@ieee.org