Upload
alessio-albri
View
225
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Tesina di ITIS sui minisumo
Citation preview
1
ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALE Mario Delpozzo
GRUPPO FORMATO DA: Albrile Alessio, Giordano Alessandro, Tierno Emanuele
CLASSE: 5^B
ASSEMBLAGGIO E PROGRAMMAZIONE DI UN PROTOTIPO DI MINISUMO DELLA SOLARBOTICS®
2
Indice:
1. Panoramica sulla robotica: • Un po’ di storia [pag.3]; • Le leggi della robotica [pag.4‐5]; • Principali prototipi [pag.5‐6]; • Applicazioni della robotica [pag.7‐8].
2. Minisumo: • Nostro prototipo [pag.]; • Montaggio [pag.]; • Funzionamento [pag.]; • Componentistica [pag.]:
• Motori [pag.]; • Sensori [pag.]; • PIC [pag.].
• Listato del programma [pag.]: • Listato [pag.]; • Descrizione [pag.].
• Problematiche e risoluzione [pag.]: • Problematiche [pag.]; • Migliorie [pag.].
3
1. PANORAMICA SULLA ROBOTICA
• Un po’ di storia: Per prima cosa bisogna chiarire di cosa tratta la robotica e cos’è un robot. La robotica è una scienza che studia i comportamenti degli esseri intelligenti e cerca di installarli in una macchina che, attraverso l’utilizzo di sensori e attuatori, riesca a lavorare in autonomia ed eseguire compiti specifici. Per la seconda domanda, invece, si può rispondere guardando la definizione reperibile sul dizionario, infatti sotto la parola robot si trova la seguente frase “Il termine robot (pron. ròbot, dalla parola ceca robota che significa "lavoro pesante") indica una qualsiasi macchina (di forma più o meno antropomorfa), in grado di svolgere più o meno indipendentemente un lavoro al posto dell'uomo.” Da questa frase si può subito capire che, non sono solo robot gli umanoidi o quelli fatti vedere nei film con sembianze umane; ma qualsiasi macchina in grado di interagire con il mondo attorno ad essa e che in grado di eseguire, in modo più o meno autonomo, il lavoro dell’uomo. Adesso che abbiamo questi concetti di base possiamo passare a vedere un po’ della storia della robotica e dei robot. Il primo prototipo di robot è stato progettato nel 1495; proprio in quell’anno Leonardo Da Vinci progettava un prototipo di umanoide. Sarebbe dovuto essere un “cavaliere” che poteva alzarsi e sedersi, muovere le braccia, la testa e la mascella, questo prototipo di
robot non fu mai costruito. Il primo robot realmente costruito risale agli anni 1738, venne costruito da un inventore francese di nome Jacques de Vaucanson. Il suo robot era un androide in grado di suonare il flauto (come si può vedere dall’immagine), il robot era dotato di dita che riuscivano a chiudere i fori presenti sul flauto, di una lingua che regolava la portata d’aria e di labbra mobili. Da quell’anno in poi la robotica prende piede, e si iniziano a studiare possibili campi di utilizzo e possibili macchine autonome. Si introducono sempre più spesso macchine autonome nelle industrie, anche se inizialmente viste male, ma adesso sempre più volute per il loro “basso” costo. Un’altra grande innovazione è l’invenzione di robot umanoidi (con sembianze umane) che riescono a relazionarsi con il mondo esterno e con le persone a loro attorno. Oltre a queste innovazioni e scoperte, la robotica è anche presa di mira da scrittori e registi di film. Uno dei più grandi scrittori di fantascienza, che ha dedicato diversi libri alla robotica, è Isaac Asimov. Autore contemporaneo di nazionalità Russa, era uno scienziato e scrittore. I suoi libri erano principalmente fantascientifici ma li utilizzava anche per
divulgare la scienza. Nei libri dedicati ai robot ha scritto le tre leggi della robotica (che analizzeremo nel prossimo punto). Un esempio, invece, di film che parlano della robotica è la saga di Guerre Stellari.
Figura 1
4
• Le leggi della robotica: Le leggi della robotica sono principalmente 3 e sono state inventate dallo scrittore Isaac Asimov nell’anno 1940. L’autore ha scritto, per la prima volta delle leggi, nel racconto “Io, Robot”. Le tre principali leggi sono:
• “Un robot non può recar danno a un essere umano né può permettere che, a causa del proprio mancato intervento, un essere umano riceva danno.”
• “Un robot deve obbedire agli ordini impartiti dagli esseri umani, purché tali ordini non contravvengano alla Prima Legge.”
• “Un robot deve proteggere la propria esistenza, purché questa autodifesa non contrasti con la Prima e con la Seconda Legge.”
Le leggi sopra indicate sono utilizzate solo ed esclusivamente nei testi di Asimov, nei quali tutti i robot presentano queste leggi, le quali sono impiantate nel loro codice. Secondo Asimov esistono però due tipologie di robot:
• Asenion Robot; questi robot NON possono violare le tre leggi in modo conscio ma solo in modo inconscio (sono quelli raccontati nei suoi libri);
• Altri robot che, secondo Asimov, possono liberamente decidere se rispettare o meno le leggi (come i futuri possibili robot del mondo reale e non delle sue storie).
Secondo lo scrittore queste tre leggi non sono “sacre” e lui stesso cerca di rendere visibile, nei suoi libri, i problemi che queste leggi creerebbero se effettivamente impiantate in un robot. Nonostante questa chiave di lettura che Asimov cerca di dare alle leggi, alcuni appassionati di robotica sono arrivati al punto di affermare che le tre leggi siano come una bibbia e che dovranno essere impiantate realmente in possibili robot futuri; anche se, secondo studiosi, questo non sarà mai possibile poiché la maggior parte dei finanziamenti, per lo studio di robot e intelligenze artificiali, arriva dall’esercito e si può credere che questo fatto non verrà mai reso possibile. Nel caso fosse possibile implementarle, l’intelligenza artificiale che siamo riusciti a creare fino ad oggi non sarebbe in grado di capire ed eseguire queste leggi. Infatti molti scienziati credono che se si riuscisse ad attivare le suddette leggi nel cervello di un robot saremmo riusciti ad arrivare realmente all’intelligenza artificiale. Queste leggi, come anche quelle esistenti, vengono interpretate e a volte storpiate a seconda della situazione e delle persone. In alcuni racconti di Asimov, le tre leggi venivano modificate per “semplificare” il lavoro che dovevano eseguire i robot ma di conseguenza veniva storpiato il significato e quindi succedevano grandi disastri. In un racconto di Isaac Asimov, viene inserita una quarta legge, chiamata legge zero per far si che una legge con numero maggiore potesse soprassederla. Questa legge viene scritta nel suo libro “I Robot e l’Impero” e di conseguenza anche le altre tre vengono leggermente modificate, le nuove leggi sono le seguenti:
0. “Un robot non può recare danno all'umanità, né può permettere che, a causa del proprio mancato intervento, l'umanità riceva danno.”
1. “Un robot non può recar danno a un essere umano né può permettere che, a causa del proprio mancato intervento, un essere umano riceva danno. Purché questo non contrasti con la Legge Zero.”
2. “Un robot deve obbedire agli ordini impartiti dagli esseri umani, purché tali ordini non contravvengano alla Legge Zero e alla Prima Legge.”
5
3. “Un robot deve proteggere la propria esistenza, purché questa autodifesa non contrasti con la Legge Zero, la Prima Legge e la Seconda Legge.”
Tuttavia la legge zero introduce un ragionamento da parte del robot e per di più potrebbe significare che il robot può uccidere una persona per salvare l’umanità, cosa che andrebbe contro la Prima Legge e creerebbe enormi danni al suo cervello positronio (cervello del robot).
• Principali prototipi:
Fino ad adesso abbiamo parlato della robotica nella storia e nei romanzi di Isaac Asimov, ora parliamo della robotica ai giorni nostri. Tutt’ora esistono diversi tipi di robot che vanno da macchinari automatici, i quali non hanno bisogno dell’intervento dell’uomo durante il loro funzionamento, fino a piccoli umanoidi che riescono a interfacciarsi con le persone e il mondo esterno a loro. Ecco l’elenco dei robot più “famosi”:
1. Umanoidi, robot dalle sembianze umane, esistono prototipi che sembrano veramente esseri umani (vedi figura 3), e altri invece che riescono a interagire con il mondo esterno come il progetto Asimo della Honda (vedi figura 2).
Figura 3 Repliee Q2 del 2006
Figura 2
6
2. Robot industriali, sono tutti quei robot che presentano caratteristiche utili nell’industria, quindi che riescono a spostare grandi pesi oppure grandi oggetti. Un tipo di robot molto utilizzato in industria è il braccio robotico. Questi tipi di robot sono composti semplicemnte da un braccio posizionato su una base rotante, in modo da riuscire a ruotare (in caso debba spostare dei pezzi), degli esempi si possono vedere nell’industria Bottero s.p.a © che produce questi protoripi per
l’industria del vetro (vedi figura 4). 3. Sonde spaziali, utilizzate nelle missioni su altri pianeti per esplorare il territorio, il
loro funzionamento viene anche utilizzato in robot per la sicurezza come quelli che disattivano le bombe. (vedi figura 5);
Figura 4
Figura 5 Rover Opportunity presente su Marte
7
4. Explorer, sono particolari automi che non hanno una logica programmabile ma che reagiscono agli impulsi dando direttamente dei risultati.
• Applicazioni della robotica: La robotica è una scienza alla quale molte persone non sanno dare un’applicazione, anche se può non sembrare ci sono tantissime applicazioni della robotica, vediamone alcune:
• Industria; questa è la prima applicazione alla quale si è applicata la robotica. Inizialmente con le macchina che eseguivano il lavoro di alcuni operai ma con un operatore che la doveva seguire; ora esistono fabbriche con catene di montaggio autonome e completamente robotizzate.
• Medicina; un’altra applicazione della robotica, inizialmente si pensi alle protesi e ora si stanno studiando metodi per creare arti completamente robotizzati (come un braccio robotico industriale ma applicabile alle persone) che si possono collegare al cervello ed avere così la piena mobilità degli arti.
• Sicurezza; esistono robot utilizzati dai vigili del fuoco che entrano negli edifici per
Figura 6
8
fare una panoramica della situazione oppure robot per disinnescare bombe (vedi figura. 6)
• Gare; infatti alcuni robot vengo utilizzati per gareggiare. Una grande e famosa gara è la RoboCup, è un esempio di competizione il cui argomento principale è il calcio, infatti si sfidano dei robot calciatori oppure i cani robotici. Un team che partecipa ogni anno alla RoboCup è il team del politecnico di Torino. La gara è ogni anno in un paese europeo diverso, ma anche in Italia è presente una gara simile, dove si sfidano le scuole italiane e l’ITIS M. Delpozzo ha partecipato l’anno scorso con una squadra composta da: Albrile Alessio, Giordano Alessandro, Salustiano Anderson e Tierno Emanuele (tutti componenti dell’attuale 5^B). La squadra ha partecipato alla categoria Minisumo, che vede fronteggiarsi due robot all’interno di un ring, e siamo arrivati primi.
• Esplorazione spaziale; i robot vengono anche utilizzati per esplorare altri pianeti (vedi prototipo prima descritto), ma esistono anche satelliti mandati in orbita completamente robotizzati.
2. Minisumo • Nostro prototipo:
Noi abbiamo montato due prototipi di minisumo della Solrbotics®. Come li abbiamo montati lo si spiega nel punto successivo ma in questo punto presentiamo il nostri due prototipi. Sono due robot identici, infatti non cambia
assolutamente niente tra l’uno e l’altro se non che il programma inseritogli sopra. Vedi figura 7.
Figura 7
9
• Montaggio: Il prototipo della Solarbotics®, consiste in un kit di montaggio dove vengono forniti i circuiti stampati e i vari componenti elettronici, i motori e la struttura meccanica. Il montaggio si può suddividere in due grandi fasi che adesso andrò a spiegare: 1^ FASE, Saldatura; Per prima cosa occorre saldare tutti i componenti sulle proprie schede seguendo gli schemi forniti. Nella fase di saldatura bisogna prestare attenzione a come viene effettuata: se lo stagno colato non raggiunge temperature sufficientemente alte si rischia che il contatto non avvenga in modo ottimale e che si produca un ulteriore disturbo del segnale. Si parla quindi di “Saldatura Fredda”, bisogna inoltre fare in modo che lo stagno penetri all’interno di tutto il foro poiché abbiamo a che fare con basette con doppio strato (double layer). Prestando attenzione a questa fase abbiamo saldato l’intere basette come da figure sottostanti.
Figura 8 PIC
Figura 9 SCHEDA SENSORI
10
Il prototipo viene fornito con una scheda di controllo non programmabile ma che sfrutta bensì filtri RC. Questo tipo di controlli vengono principalmente utilizzati per i robot “explorer”. Dato che il nostro scopo era quello di creare un robot e di strutturare la sua logica di controllo il modo software abbiamo sostituito la brain board (il suo “cervello”) analogico con uno digitale e programmabile. La brain board digitale è composta da un microprocessore PIC, questa struttura è molto utilizzata nell’ambito hobbistico poiché più semplice da programmare rispetto ad altri micro controller. 2^FASE, Assemblaggio; Dopo aver saldato tutti i componenti siamo passati all’assemblaggio. Operazione che ha richiesto più tempo di quanto preventivato poiché i pezzi forniti non erano combacianti a quelli di cui avevamo bisogno, siamo quindi passati alla modifica fisica con trapani e attrezzi di foratura ma arrivando comunque a un buon risultato, ossia una struttura solida e di bell’aspetto.
• Funzionamento:
Figura 10 SCHEDA CONTROLLO MOTORI
11
• Componentistica: Come già descritto precedentemente i prototipi li abbiamo montati tutti ed interamente noi, infatti ci sono stati recapitati smontati in scatole. Al loro interno erano presenti i motori, i circuiti stampati, i componenti elettronici tra cui i sensori.Analizziamo alcuni dei componenti che compongono il robot.
• Motori: Un esempio di nostro motore si può vedere bene nell’immagine [figura 11] , questi sono motori in corrente continua con magneti permanenti. Questi tipi di motori sono motori molto utilizzati perché facili da costruire, ma sono utilizzabili solo per piccole potenze (altrimenti il peso dei magneti
diventerebbe insostenibile), devono essere alimentati in corrente continua e si possono pilotare facilmente solo con circuiti elettronici. Il motore a magnete fisso funziona come un motore in corrente continua con l’unica differenza che ha un magnete fisso sullo statore mentre quello in corrente continua presenta avvolgimenti e non magneti fisici (anche se comunque crea un induzione magnetica e di conseguenza potrebbe essere visto come un magnete). Vengono utilizzati questi motori perché presentano dimensioni ridotte, velocità di risposta elevata, leggeri e richiedono un’alimentazione ridotta rispetto ad altri possibili motori.
• Sensori: Montati i nostri minisumo sono presente due tipi di sensori: quelli che identificano il colore [figura 12] e quelle che identificano l’avversario [figura 13]. Iniziamo a parlare dei primi sensori, quelli utilizzati per identificare il colore. Questi sensori vengono utilizzati da noi per controllare che il robot sia sulla parte dell’arena nera (quella sicura) e non sulla parte bianca (quella a rischio di eliminazione). Questi tipi di sensori sono dei foto transistor che inviano un segnale infrarosso e a seconda di come lo ricevono (l’angolazione con cui il segnale ritorna al ricevitore) capisce se è sul bianco o sul nero. Gli altri sensori utilizzati sono quelli che noi utilizziamo per fare vedere ai robot il proprio avversario. Questi sensori sono composti da due pezzi, un diodo che emette
Figura 11 MOTORE
12
il segnale infrarosso (38 kHz per essere esatti) che può essere modulato leggermente, e un ricevitore che riceve un range di valori tra cui i 38 kHz. Il funzionamento è lo stesso del sensore prima spiegato con l’unica differenza che, in questo caso, il sensore è diviso in due e che il segnale inviato dal secondo sensore ha una portata maggiore rispetto al primo.
Figura 12 SENSORE PER COLORE
Figura 13 SENSORE PER VEDERE AVVERSARIO
13
• PIC: Sui due minisumo da noi montati è stato installato un microcontrollore per riuscire a dare un cervello ai robot e fare in modo che noi riuscissimo a impiantare al loro interno una tattica di “combattimento”. Questo microcontrollore si chiama PIC ed è della Microchip Technology. La sigla PIC è un’acronimo che significa “Programmable Interface Controller”, infatti può essere programmato in BASIC oppure in C. Piccolo chiarimento su cos’è un microcontrollore: un microcontrollore è un dispostivio elettronico integrato che lavora come un piccolo cervello, al suo interno presenta una memoria dove si può salvare il programma che deve svolgere (ovviamente con le adeguate limitazioni di grandezza). Il nostro PIC è composto da 40 piedini, alcuni ingressi e altri uscite permettendogli di interagire così con il mondo esterno in modo diretto e tramite la guida del programma. Il PIC è molto utilizzato per la sua “semplicità” nella programmazione rispetto ad altri microcontrollori. Vedere figura 8.