La robotica umanoide è composta da un’ampia gamma di discipline grazie a cui la percezione, l’elaborazione e l’azione sono incorporati in una forma antropomorfa mirata alla simulazione di alcuni degli aspetti fisici, cognitivi e sociali dell’intelligenza e del corpo umani.
Lo scopo è la creazione di un nuovo genere di macchina che si differenzi nettamente da qualunque altro strumento, in quanto progettato specificatamente per lavorare accanto agli esseri umani, non solo al loro servizio. Si prevede di utilizzare i robot antropomorfi per eseguire un’ampia gamma di mansioni, sia affiancati ad umani che come loro sostituti, come ad esempio in occasione di compiti ad alto rischio, quali esplorazione, ricerca e salvataggio, mantenimento della sicurezza, oppure in ambienti ostili come quelli spaziale o sottomarino.
Per raggiungere questa meta è necessario riuscire a potenziare, in particolare, alcuni aspetti fondamentali della scienza robotica, quali locomozione, autonomia, affidabilità ed ovviamente efficienza energetica. Secondo il nostro approccio, i robot umanoidi vengono rappresentati come sistemi energetici isolati. Da questa prospettiva, simili apparati possono venire schematizzati in forma di catene energetiche. Sono costituiti da diversi convertitori energetici interconnessi tra loro in maniera tale da dare come risultato l’esecuzione del compito richiesto.
Solitamente, i robot umanoidi sono attrezzati con almeno un convertitore primario (per esempio, una batteria o un motore a combustione interno), in grado di fornire l’energia necessaria al robot, determinando, in questo modo, il punto di partenza della catena energetica. In generale, il convertitore energetico principale è seguito da altri convertitori (di regola motori elettrici) predisposti al compito di trasformare l’energia elettrica in energia meccanica. Al termine della catena energetica si trovano quei convertitori preposti alla diretta interazione con l’ambiente circostante, ovvero lo spazio di lavoro del robot. Si tratta delle componenti realizzatrici del robot, come ad esempio sensori tattili, manipolatori, attrezzature prensili, telecamere, mani antropomorfe. Infine, tutti i convertitori di energia con cui il robot è attrezzato sono interconnessi ad una rete di distribuzione energetica. Un’unità di controllo centrale ha il compito di gestire la rete di distribuzione e fornire la corretta alimentazione ad ogni singolo convertitore perché il compito assegnato possa venire eseguito con successo.
In maniera non dissimile da modelli più comuni di catene energetiche isolate, (ad esempio automobili, aeroplani, navi), i robot antropomorfi sono costretti ad alternare cicli lavorativi. Producono periodi di utilità alternati a periodi di inattività, durante i quali interrompono almeno in parte le loro mansioni per potersi collegare ad una fonte energetica esterna.
Il problema dell’autonomia, ovvero dell’efficienza energetica, nei robot antropomorfi è consistente, particolarmente se si prende in considerazione l’obbiettivo di utilizzarli per compiti di natura sempre più complessa. Una soluzione al problema dell’autonomia (e dell’efficienza energetica in generale) può essere implementata applicando due approcci complementari. Il primo consiste nella ricerca di convertitori energetici capaci di generare un potenziamento dell’efficienza in termini di capacità, durata e qualità della fornitura di energia, una volta stabilite le specifiche del progetto in termine di dimensioni, peso e costi.
Il secondo approccio presuppone, invece, uno studio delle caratteristiche strutturali, oltre che delle dinamiche del sistema robotico, allo scopo di minimizzarne il consumo energetico nel rispetto della missione assegnata. In questo caso, la catena energetica deve essere analizzata dal punto di vista dei singoli convertitori. A partire dai convertitori posizionati al termine della catena energetica (attuatori), per arrivare al convertitore primario (le batterie o il generatore), è necessario studiare gli effetti sul convertitore primario in relazione ad un dato compito di ogni possibile variazione di tipologia e topografia dei convertitori intermediari. Questo genere di analisi richiede la definizione e l’utilizzo di appropriati modelli fisici che possano risolvere le dinamiche di ciascun convertitore, inclusi gli effetti sia delle forze interne che esterne in azione su di essi, quali frizione, gravità, inerzia.
La caratterizzazione del ciclo di compiti della catena energetica permette di ottenere un modello generale, in grado di fornire una stima numerica di ciò che il convertitore primario “vede”. Di conseguenza, diviene possibile studiarne i punti di efficienza ed identificarne dispersioni ed utilizzi energetici in relazione al ciclo globale di compiti richiesti. Basti un esempio: è possibile calcolare il flusso energetico di ritorno prodotto dal movimento del braccio quando sottoposto alla forza gravitazionale piuttosto che spinto da forze esterne.
Oltre a quest’analisi della catena energetica in relazione ad alcune caratteristiche strutturali del robot, è importante eseguirne un’altra sui meccanismi che regolano i processi cognitivi del robot antropomorfo. Secondo questo criterio, l’efficienza generale del robot umanoide per un dato compito non risulta unicamente dall’efficienza della sua catena energetica, ma dipende anche dalle azioni che il robot decide di eseguire. Motivo per cui, una volta stabilita la struttura del robot in termini di configurazione e categoria degli attuatori ed identificata la missione richiesta, l’efficienza energetica del robot dipenderà da come il robot eseguirà il proprio compito. Per meglio comprendere, prendiamo in considerazione un robot equipaggiato con strumenti prensili alle estremità dei propri arti, a cui si sia ordinato di afferrare e spostare un oggetto. In questo caso, l’efficienza del robot sarà strettamente correlata alla maniera in cui si avvicinerà all’oggetto, si allungherà verso di esso e lo manipolerà. Ovviamente è anche molto utile valutare l’approccio opposto, ovvero, data una dinamica di movimento predefinita, (ad esempio avvicinarsi e toccare un oggetto per determinarne le dimensioni), la configurazione e tipologia dei convertitori può essere variata in relazione all’obbiettivo di massimizzare l’efficienza della catena energetica.
Pertanto un’analisi energetica di un robot umanoide, se considerato come un sistema energetico complesso, avrà conseguenze sia sugli aspetti strutturali che comportamentali dell’apparato.
Crediamo che le correlazione tra gli aspetti energetici dei robot antropomorfi, le loro dinamiche motorie e le loro strategie di controllo possano rappresentare un approccio efficace per individuare un disegno del sistema che sia energeticamente efficiente. Questo processo presenta anche similitudini con i principi energetici che governano la morfologia ed i comportamenti degli esseri viventi. E’ infatti ben noto come l’evoluzione della fisiologia delle entità viventi sia strettamente connessa alla minimizzazione del fabbisogno energetico.