BRACCIOROBOTICOLIGHT

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braccio che proponia-mo in questo articolo è stato progettato proprio per muovere i primi passi e sperimentare e sviluppare applicazioni robotiche, scontrandosi con le problematiche come il motion control e il firmware correlato; è quindi rivolto sia agli hobbisti, sia alle scuo-le a indirizzo tecnico, dove può diventare una piattaforma didat-tica indispensabile, ed anche ai progettisti che debbano prototipare applicazioni robotiche, nonché sviluppare ed affinare i propri softwa-re e firmware di gestio-ne di sistemi di auto-mazione industriale più complessi.

IL PROGETTOVediamo dunque di spiegare meglio in cosa consiste il progetto, che è composto da una struttura meccanica nel-la quale sono integrati gli azionamenti elettrici, oltre che da un’elettro-nica che governa questi ultimi per ottenere i movimenti desiderati.

automazione e la robotica rappre-

sentano i settori più promettenti in Italia in campo industriale e proliferano le aziende che realizzano soluzioni come macchine per as-semblaggio automatico e robot; sicuramente il prodotto più apprezza-to è il braccio robotico, perché capace di com-piere molte lavorazioni, fissato verticalmente oppure orizzontalmente alla struttura portante e dotato di meccanismi anche molto complessi che consentono un ele-vato grado di libertà e notevole velocità nell’e-

L’

seguire i movimenti richiesti.Il braccio robotico è an-che qualcosa di ambito dai maker, per il fascino che esercita in quanto primo, forse più signi-ficativo, passo verso la costruzione di un robot umanoide.L’importanza assunta in vari settori da questa porzione di robot rende necessario disporre, nel-la scuola e nella ricerca e sviluppo, delle com-petenze e di supporti di-dattici e prototipali per sviluppare progetti nel settore della robotica. Il

di GABRIELE DAGHETTA

Realizziamo il nostro primo braccio robotico a quattro gradi di libertà, con base da banco, pinza per afferrare oggetti e cinque servocomandi gestibili da Arduino o altra elettronica.

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Robotica

il braccio anche esteso, tuttavia se questo deve sollevare pesi rilevan-ti va fissata al piano d’appoggio; allo scopo abbiamo previsto quat-tro fori per avvitarla, ad esempio, a un tavolo, a un banco di lavoro o a un macchinario del quale si desidera che il braccio diventi parte. La pinza ha le ganasce concave lunghe 45 mm e dentate, così da favori-re la presa di oggetti di varia natura.L’azionamento del brac-

Il braccio è di tipo arti-colato (detto anche an-tropomorfo) giacché tutti i giunti sono rotanti, caratterizzato da 4 gradi di libertà (rotazione base, movimento spalla, gomito, rotazione polso) che uniti alla pinza in cima conferiscono una certa abilità di posizio-namento e orientamento di piccoli oggetti. Partiamo dalla strut-tura meccanica, che è la parte più importan-te perché è in effetti il braccio robotico; l’elettronica è solo la parte che lo controlla. Il braccio ha una struttura interamente realizzata con parti in plexiglass da 3 e 5 mm di spessore tagliate a laser e assem-blate tramite l’utilizzo di distanziali in ottone/ABS, viti e dadi.Il braccio ha tre sno-di per il movimento in alto e in avanti (è composto da un braccio e un avambraccio cui è intestata una pinza in funzione di mano) e può ruotare sul piano orizzontale grazie a una ralla in acciaio stam-pato a un giro di sfere, a sua volta avvitata alla base d’appoggio dell’insieme; a questa base è fissata anche la sezione che contiene l’elettronica. Il braccio può ruotare sulla base d’appoggio di ben 180 gradi e la ralla unisce la base del braccio alla base d’appoggio. La lunghezza di braccio e avambraccio è 160 mm e il braccio può esten-

dersi in altezza per un massimo di 27 cm, che divengono 310 al polso (la giuntura su cui ruota la pinza) e ben 400 mm considerando anche la pinza.La base è abbastanza ampia da sorreggere

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cio avviene mediante due servo da 13 kg/cm con ingranaggi in metallo (venduti dalla Futura Elettronica con il codice prodotto SERVO213): uno comanda la rotazione del primo tratto e il secondo alza o abbassa l’avambraccio sull’articola-zione del gomito. In corrispondenza di quest’ultima si trova un bilancie-re che, grazie a una biella imperniata sulla base rotante e ad un’altra imper-niata sul sostegno della pinza, assicura che la stessa rimanga orizzontale indipendente-mente da quanto si estende o si ritrae il braccio. La rotazione del braccio è di 180° e viene co-mandata da un ulteriore servo da 13 kg/cm con ingranaggi in metallo identico ai due precedenti; notate che per kg/cm si intende la forza esercitata dal servomotore per una data lunghezza della leva, considerata all’estremità della leva stessa, quindi 13 kg/cm vuol dire che il servo esercita una forza di 13 kg a un centimetro dall’asse del suo alberino, mentre a 2 cm i 13 kg dimezzano (diventano 6,5) e via di seguito. Ciò è logico esssendo il sistema mec-canico composto dall’albero del servo e dalla leva di azionamento, una leva svantaggiosa (potenza sul fulcro e resistenza a una certa distanza).La base di appoggio dispone di una ralla in acciaio a un giro di sfere che permette all’intero braccio di ruotare attorno al suo asse; l’angolo di rotazione è determinato dall’angolo massimo di escursione del perno del servo utilizzato (nel nostro caso 180°). L’utilizzo di un servomotore a rotazione conti-nua permetterebbe l’analoga rotazione dell’intero braccio, tuttavia l’esistenza del un cavo di alimen-tazione esterno collegato alla scheda di controllo ne limita, in pratica, l’escursione. Il problema può essere evitato installando sul braccio stesso la fonte

di alimentazione (ad esempio una batteria) che eli-minerebbe detto collegamento. In questo caso, però, si avrebbero limiti di autonomia. La ralla permette di ottenere una rotazione fluida e con un ridottissimo attrito, consentendo movimenti precisi con il minimo sforzo del servo interessato.La pinza è montata su una base (polso) a sua volta imperniata sull’avambraccio e può ruotare di 180 gradi mediante un servo miniatura da 1,2 kg/cm (codice Futura Elettronica SERVO206); lo stesso tipo di servo viene montato nell’azionamento che consente apertura e chiusura delle ganasce della pinza, le quali possono aprirsi fino a stringere og-getti larghi 65 mm. La parte posteriore del braccio è predisposta per alloggiare schede di controllo quali Raspberry Pi e Arduino UNO, oltre che dispositivi idonei (pompa a vuoto elettrica ed elettrovalvola a due vie) per realizzare un sistema pick and place con ventosa: un add-on del braccio robotico che descriveremo in un prossimo articolo.Dalle prove effettuate in laboratorio il braccio (con la base opportunamente ancorato al piano d’appog-gio) ha dimostrato di essere in grado di sollevare al livello del polso (non con la pinza) un carico massimo di 250 g, contrariamente a quanto lasce-rebbe pensare il materiale utilizzato per la struttura; infatti, sebbene il plexiglass con ridotti spessori sia abbastanza fragile e flessibile, se ogni singolo elemento sottoposto ad elevata sollecitazione viene fatto lavorare “in costa” (cioè di traverso) raggiun-ge gradi di resistenza sorprendenti, anche se i suoi limiti di sollecitazione meccanica non sono parago-nabili a quelli del metallo. I servocomandi sono stati scelti (almeno i tre da 13 kg/cm) con ingranaggi

CARATTERISTICHE TECNICHEg Lunghezza braccio e avambraccio: 160 mm g Altezza massima braccio: 270 mmg Altezza massima raggiunta (polso): 310 mmg Estensione massima (pinza inclusa): 400 mmg Rotazione braccio su base d’appoggio: 180°g Dimensioni base d’appoggio: 145x145 mmg Pinza al vertice con ganasce ad arcog Lunghezza ganasce: 45 mm g Apertura massima ganasce: 65 mmg Azionamento mediante 5 servocomandig Capacità di sollevamento al polso: 250 g

Per i primi test abbiamo previsto un hardware formato da Arduino UNO REV3 e uno shield

Octopus, montati nell’apposito alloggiamento.

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