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Il mondo dei robot
A .S 2010 -2011
CL . 5 D
I t i s Enea
Ma t t e i ( SO )
Co rso :
I n f o rma t i ca
Alessandro Negrini
Rapida anteprima sul mondo dei robot, dalla
loro nascita al loro sviluppo e al loro impiego
nella società contemporanea.
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 1
Three laws of robotics
A robot may not injure a human being or, through inaction, allow a human being to come to harm. ( see page 12 )
A robot must obey any orders given to it by human beings, except where such orders would conflict with the First Law.
A robot must protect its own existence as long as such protection does not conflict with the First or Second Law.
Isaac Asimov (1920 - 1992)
PremessaPremessaPremessaPremessa
In occasione dell’ esame di maturità ho voluto infondere in poche righe la
passione che ho per la robotica e per la tecnologia in generale.
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 2
Già da piccolo ero molto interessato all’ argomento e quando ho cominciato a
frequentare la scuola in cui mi trovo adesso, ho potuto capire il significato di tutte
quelle “grandi città” all’ interno dei computer e cosa realmente trasportassero tutti
quei fili colorati. Spero di poter continuare a maturare questa passione, e perciò
vorrei ringraziare i miei professori per avermela fatta conoscere e amare,
nonostante qualche insuccesso iniziale.
La tesina tratta di un vasto argomento, appunto quello dalla robotica, e in poche
pagine ho cercato di riassumere al meglio l’ essenziale per poter immergersi in
questo meraviglioso mondo.
Parlerò della robotica in generale e del legame di questa con ciascuno di noi,
partendo dall’ origine del termine fino all’ impiego quotidiano, anche con qualche
esempio grafico. In questo lavoro ho anche inserito alcune immagini, perché
ritengo che in certe circostanze queste possano spiegare un concetto in maniera
più chiara rispetto alle parole.
Successivamente, visto che la tesina in sé potrebbe essere anche noiosa, ho voluto
completarla con un progetto pratico, la costruzione di un braccio robotico . Il
braccio ha diverse funzioni e speriamo che in un prossimo futuro gli impieghi di
questo “robottino” possano moltiplicarsi, nonostante la sua struttura artigianale. Il
braccio è stato costruito completamenti in “casa” nel senso che è stato utilizzato
in prevalenza materiale d’ occasione.
In questa circostanza devo ringraziare con cuore il professore G.B Turchi perché
mi ha sempre assistito nella realizzazione del progetto e si è anche impegnato
nella costruzione di alcuni pezzi meccanici del manipolatore in officina.
Vorrei anche ringraziare i miei compagni di classe e amici perché sono sempre
stati disposti a dare aiuti o consigli.
Infine, un ringraziamento speciale va anche alla mia famiglia e alla mia fidanzata
che sono sempre stati pronti a incoraggiarmi ogni qualvolta c’ era qualcosa di
sbagliato o di non funzionante.
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 3
Alessandro Negrini
SommarioSommarioSommarioSommario
1. Che cos’ è la robotica1. Che cos’ è la robotica1. Che cos’ è la robotica1. Che cos’ è la robotica
4444
1.1 Origine del termine “robot”
5
1.2 Cosa sono i robot ?
5
1.3 Breve storia dei robot
6
1.3.1 Curiosità: il giocatore a scacchi di Maelzel
8
1.3.2 I robot di prima generazione
8
1.3.3 I robot di seconda generazione
9
1.3.4 I robot di terza generazione
9
1.3.5 I robot di quarta generazione
1.4 Robotica e letteratura
10
1.4.1 Isaac Asimov
11
1.4.2 His writings
11
1.4.3 First Law
12
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 4
2. Etica e robot2. Etica e robot2. Etica e robot2. Etica e robot
11114444
2.1 Campi di applicazione
15
2.2 I robot industriali
16
2.3 I robot militari
17
2.3.1 I robot a Fukushima
18
2.4 I robot in medicina
19
2.5 I robot e le competizioni
22
3. Approfondimento : il manipolatore3. Approfondimento : il manipolatore3. Approfondimento : il manipolatore3. Approfondimento : il manipolatore
22223333
3.1 Struttura dei manipolatori
24
3.1.1 Manipolatore cartesiano
25
3.1.2 Manipolatore a portale
25
3.1.3 Manipolatore cilindrico
25
3.1.4 Manipolatore sferico
26
3.1.5 Manipolatore SCARA
26
3.1.6 Manipolatore antropomorfo
27
3.2 Unità di controllo e programmazione
27
3.3 I robot e la fisica: la cinematica
28
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 5
3.3.1 La cinematica diretta
28
3.3.2 La cinematica inversa
29
3.3.3 Altre operazioni
29
4. Robarman: il braccio made in ITIS4. Robarman: il braccio made in ITIS4. Robarman: il braccio made in ITIS4. Robarman: il braccio made in ITIS
30303030
Il mondo dei robotIl mondo dei robotIl mondo dei robotIl mondo dei robot
1.1.1.1. Che cos’è la RoboticaChe cos’è la RoboticaChe cos’è la RoboticaChe cos’è la Robotica????
La robotica è una scienza che studia i comportamenti degli esseri intelligenti e che
cerca di sviluppare delle metodologie che permettano ad una macchina, chiamata
robot, dotata di opportuni dispositivi adatti a percepire l'ambiente circostante ed a
interagire con esso (sensori e attuatori), di eseguire dei compiti specifici.
Rappresenta la soluzione a vari problemi per gli umani, che possono liberarsi di
compiti troppo noiosi, lunghi, pericolosi, faticosi, veloci o precisi.
La disciplina nasce dal desiderio degli uomini di realizzare dispositivi artificiali e
autonomi dotati di intelligenza artificiale.
La Robotica non è importante soltanto per imparare a costruire e ad usare i robot, ma
anche per imparare un metodo di ragionamento e sperimentazione, infatti raccoglie
molti studi interdisciplinari, quali ad esempio la meccanica, l’ elettronica, l’
informatica, la sensoristica, l’ intelligenza artificiale e la matematica .
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 6
1.1 Origine del termine1.1 Origine del termine1.1 Origine del termine1.1 Origine del termine “robot” “robot” “robot” “robot”
La parola “robot” nasce vicino a Praga nel 1920. Il termine proviene quindi dal ceco
“robota”, dove ha il significato di “lavoro pesante” o “lavoro forzato”. Questo termine è
stato introdotto dallo scrittore ceco Karel Čapek nel suo dramma teatrale R.U.R.
(Rossum's Universal Robots ovvero “I robot universali di Rossum”). In verità il vero
ideatore del termine è stato il fratello Josef, che già aveva adoperato la parola automat
(automa) in un suo racconto intitolato “Opilec” (“L’ubriacone”) nel 1917. “Robot”
rimanda anche alla parola russa “rabotat’” (che significa “lavorare”) da cui deriva
“rabotjàga” ovvero “lavoratore instancabile”. L’ anno 1920 è anche l’ anno in cui nasce
Isaac Asimov e il termine inglese derivato “robotics” ossia “robotica” , compare per la
prima volta in un racconto di fantascienza dello stesso scrittore, intitolato “Bugiardo”
del 1941. Lo stesso Asimov è l’ inventore delle Tre Leggi della Robotica
(precedentemente elencate) enunciate interamente nel racconto “Circolo Vizioso” del
1942. Successivamente le Leggi della Robotica diventano quattro, con l’ introduzione
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 7
della Legge Zero che afferma che un robot non può causare danno all'umanità o
permettere che a causa della sua inazione l'umanità subisca danno.
1.2 Cosa sono i robot?1.2 Cosa sono i robot?1.2 Cosa sono i robot?1.2 Cosa sono i robot?
Nel 1979 l’ istituto americano dei Robot dà una definizione di robot, ossia uno
strumento programmabile e multifunzionale progettato per spostare materiali,
componenti o attrezzi, attraverso vari movimenti programmati .
A vent’ anni di distanza, questa definizione potrebbe essere considerata incompleta,
dato che al giorno d’ oggi un robot è visto come uno strumento utilizzato (nella
scienza) in campo scientifico e nell’ industria per prendere il posto di un essere
umano. Esso potrebbe, oppure no, assomigliare a un essere umano e svolgere, oppure
no, i suoi compiti come un uomo. Non si limita più allo spostamento di attrezzi come
affermava la definizione del 1979, ma compie determinate azioni in base ai comandi
che gli vengono dati e alle sue funzioni, sia in base ad una supervisione diretta
dell'uomo, sia autonomamente basandosi su linee guida generali, magari
usando processi di intelligenza artificiale; questi compiti dovrebbero essere
performanti al fine di sostituire o coadiuvare l’attività dell'uomo.
Non sempre è facile distinguere un robot da una macchina puramente automatizzata,
perciò bisogna anche porre il limite che un vero robot deve avere capacità decisionali,
deve poter fronteggiare situazioni impreviste che neppure il suo creatore può
immaginare a priori, per esempio grazie a sensori e attuatori, altrimenti sarebbe
semplicemente un automatismo. E’ per questo che, ad esempio un orologio, non può
essere considerato un robot.
Caratteristiche di un robot :
• Programmabilità: Programmabilità: Programmabilità: Programmabilità: capacità di elaborazione che il progettista può combinare come
desidera;
• Mobilità: Mobilità: Mobilità: Mobilità: possibilità di interagire fisicamente con l’ambiente;
• Flessibilità: Flessibilità: Flessibilità: Flessibilità: capacità di esibire un comportamento adatto alla situazione;
• Autonomia: Autonomia: Autonomia: Autonomia: possibilità di svolgere le proprie funzioni senza ingerenze o
condizionamenti da parte di altri membri.
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 8
SensoreSensoreSensoreSensore: dispositivo che trasforma una grandezza fisica che si vuole misurare, in un
segnale di natura diversa (tipicamente elettrico) più facilmente misurabile o
memorizzabile.
AttuatoreAttuatoreAttuatoreAttuatore: dispositivo che converte dell'energia da una forma ad un'altra, in modo che
questa agisca nell'ambiente fisico al posto dell'uomo. Ossia qualsiasi
dispositivo utilizzato per azionare organi meccanici o per intervenire su circuiti
idraulici in seguito a comandi ad esso inviati per mezzo di un sistema di controllo
elettronico.
1.3 1.3 1.3 1.3 Breve storia dei robotBreve storia dei robotBreve storia dei robotBreve storia dei robot
La costruzione di dispositivi automatizzati risale
ai tempi antichi, infatti già tra il 400-350 a.C. il
greco Archita di Taranto costruisce una colomba
volante messa in moto da un getto di vapore.
Nel 200 d.C. cominciano ad essere costruiti i
primi esemplari rudimentali di automi: Roger
Bacon crea una testa parlante.
Ciò significa che l’idea di costruire un individuo
artificiale, dotato di movimento e autonomia
nelle proprie azioni, non è quindi degli ultimi
secoli, né una conseguenza dello sviluppo
dell’informatica e della robotica.
Il termine stesso, automa, è proprio una parola greca dal significato di “colui che si
muove da solo”.
Il Rinascimento è un autentico fiorire di studi e progetti di meccanica e meccanismi. Il
massimo esponente è senza dubbio Leonardo da Vinci, che con il suo leone meccanico
semovente (1515), incantava le rappresentazioni teatrali alla corte di Francesco I. Tra
l’ altro il leone di Leonardo è stato recentemente ricostruito ed è conservato nel
castello di Close Luce, nella valle della Loira in Francia.
Una svolta significativa si ha con l’ invenzione della prima macchina a vapore da parte
dell’ inglese Thomas Newcomen nel 1705, poi perfezionata dallo scozzese James
Watt. Questa invenzione dà all’uomo la possibilità di creare i primi dispositivi
autonomi. Il successo è immediato, soprattutto in campo industriale: non è più
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 9
necessaria la presenza di corsi d’acqua o di vento per produrre lavoro meccanico,
infatti la semplice espansione di vapore acqueo surriscaldato aziona uno stantuffo che
produce la potenza necessaria.
A partire dal XVIII nascono moltissimi tipi di automi e molti dei quali vanno oltre ai
semplici movimenti; cominciano a nascere i primi tentativi di automi che giocano a
scacchi . In un primo momento queste macchine sono costituite da una scatola al cui
interno c’ è un umano vero e proprio, poi con il passare del tempo vengono
comandati a distanza, elettricamente.
Inoltre, è proprio in questo periodo, il periodo della rivoluzione industriale (1760-
1880) che l’ uomo comincia a sviluppare l’ idea che l’ utilizzo delle macchine potesse
andare a sostituire alcuni lavori, magari troppi lunghi o faticosi. Gli imprenditori,
quindi, pensano che le macchine siano meglio dell’uomo.
Tali macchine, essendo robotizzate, fanno molto più lavoro dell'uomo, quindi sono
più efficienti e produttive.
Successivamente i robot industriali vengono impiegati anche per la costruzione di
nuovi mezzi di trasporto, per esempio l’automobile.
Man mano che la produzione delle fabbriche e delle industrie sale, senza l'ausilio
dell'uomo, i robot sostituiscono quasi definitivamente la manodopera umana che
diventa perciò disponibile per altri lavori comuni; e con il crescere della società di
massa cominciano anche a nascere i primi robot di svago, per esempio pupazzetti di
legno o di plastica che battono le mani o fingono di suonare uno strumento.
La robotica vera e propria nasce solamente a partire dagli anni ’40 dello scorso
secolo, anche se i robot inizialmente sono destinati solo ad un uso industriale, con lo
sviluppo graduale di teorie per il controllo del movimento e l’incremento dei gradi di
libertà acquisiscono una sempre maggiore complessità, fino alla costruzione dei
cosiddetti bracci manipolatori che hanno invaso il settore produttivo mondiale.
A partire dagli anni ’70 comincia a diffondersi parallelamente anche il l’informatica,
importantissima per lo sviluppo dei robot successivi, sempre più complessi.
Nel 1956 si comincia a parlare di intelligenza artificiale (AI) perché i ricercatori
iniziano a porsi l’obiettivo di creare una struttura basata su hardware e software.
Il termine viene coniato da un matematico americano McCarthy, il quale vuole trovare
un nome a quell' abilità di un computer di svolgere funzioni e ragionamenti tipici della
mente umana.
Sostanzialmente lo sviluppo della Robotica mondiale è andato di pari passo con il
progresso dell’Information Technology (Informatica) e dell’ AI, infatti l’evolversi del
sistema di programmazione del software ha influito notevolmente sui metodi di lavoro
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 10
degli elaboratori, seppur con linguaggi di programmazione a basso livello. Negli
ultimi anni è cresciuto esponenzialmente l’ utilizzo di questi strumenti in ambito
medico, soprattutto nelle sale operatorie, per fare ad esempio trapianti d’ anca,
operazioni alle costole o altro ancora.
Fig.1 : densità di unità robotiche
nel mondo
1.3.1 Curiosità: il 1.3.1 Curiosità: il 1.3.1 Curiosità: il 1.3.1 Curiosità: il
giocatore a scacchi di giocatore a scacchi di giocatore a scacchi di giocatore a scacchi di MMMMaelzelaelzelaelzelaelzel
Come accennato precedentemente, i primi creatori di automi hanno voluto superarsi
creando macchine che giocassero a scacchi in maniera autonoma: peccato che non
sempre il risultato era quello sperato.
Il primo e il più celebre fu costruito nel 1770 da un nobile ungherese Wolfgang von
Kempelen, e presentato alla corte dell'Imperatrice Maria Teresa d'Austria. Esso
raffigurava un uomo avvolto in abiti orientali, seduto dietro una specie di scrivania
chiusa sul davanti da tre sportelli, con due cassetti in fondo; per il suo aspetto e il
turbante che portava in testa era conosciuto come "il Turco". Prima di ogni partita,
l'inventore apriva gli sportelli ad uno ad uno, mostrando agli spettatori un complesso
di ingranaggi, rotelle, fili di ogni genere veramente impressionante. In seguito alla
morte di von Kempelen, avvenuta nel 1784, i figli vendettero l'automa a Johann
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 11
Maelzel, celebre inventore del metronomo, il quale proseguì le esibizioni in tutta
Europa.
Per l'astronomica cifra di 30 mila franchi, nel 1811 un principe acquistò "il Turco".
Deluso dalla reale natura dell'oggetto, il principe lo ricedette per la stessa somma a
Maelzel. L'automa, infatti, non era affatto un miracolo di tecnologia, bensì una truffa
molto ben congegnata: era semplicemente azionato nell'interno da un uomo di piccola
statura, che si occultava abilmente dietro gli ingranaggi, spostandosi a destra o a
sinistra a seconda dello sportello che veniva aperto. I movimenti dei pezzi sul tavolo,
durante la partita, gli venivano segnalati da piccoli magneti posti al di sotto, in modo
che il giocatore potesse riprodurre le mosse su una scacchiera tascabile, e rispondere,
poi, manovrando il braccio mobile del turco. A lungo si nascose all'interno dell'automa
un polacco di nome Worowski, che aveva perso le sue gambe in guerra.
Nel 1825 Maelzel si imbarcò per gli Stati Uniti portando con sé l'automa. Negli USA l'
automa fu studiato da Edgar Allen Poe, che in un giornale locale rivelò "The spoof of
the Turk", la truffa del Turco. Indebitatosi anche negli Stati Uniti, Maelzel fu costretto
a vendere l'automa per 400 dollari a John F. Ohl, che dopo alcuni anni lo cedette al
museo di Philadelphia. Qui venne distrutto dall'incendio che devastò la città il 5 luglio
1854.
1.3.2 I robot di prima generazione1.3.2 I robot di prima generazione1.3.2 I robot di prima generazione1.3.2 I robot di prima generazione
I robot che caratterizzano la prima generazione, che ha inizio nel 1970, sono i bracci
robotici. Macchine programmabili senza possibilità di controllo delle modalità reali di
esecuzione e senza interazione con l’ ambiente esterno.
I robot della prima generazione sono apparecchi di bassa tecnologia, infatti non
operano sotto servocontrolli. Per questo motivo sono chiamati “Robot fracassoni” “Robot fracassoni” “Robot fracassoni” “Robot fracassoni” a
causa del rumore prodotto dall’ urto tra il braccio stesso e i fermi meccanici utilizzati
per limitarne il movimento.
L’ impiego di questi tipi di robot è prevalentemente industriale, infatti in quegli anni
venivano utilizzati per operazioni di carico e scarico di merci o per effettuare semplici
spostamenti di materiali.
1.3.1.3.1.3.1.3.3333 I robot di seconda generazione I robot di seconda generazione I robot di seconda generazione I robot di seconda generazione
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 12
La catena di montaggio invece fa parte della seconda generazione dei robot. E’
costituita da macchine programmabili con possibilità di riconoscimento
dell’ ambiente esterno. La tecnologia impiegata è di media qualità, e a differenza dei
bracci robotici di prima generazione sono dotati di servocontrolli, e possono essere
programmati per spostamenti da punto a punto.
Il controllo di questi avveniva tramite regolari regolatori logici programmabili o
minicomputer ed erano anche programmabili.
Essi dispongono di software specifici dedicati ad applicazioni specifiche. Quindi, se il
robot era destinato a svolgere un determinato compito, come ad esempio il carico di
una macchina, era molto difficile impiegarlo per un’ altra operazione come per
esempio la saldatura. Per poterlo fare bisognava cambiare il sistema di controllo.
Questo genere di macchine dispongono di scarse
capacità diagnostiche e perciò spetta all’ utente risalire
alle effettive cause di una eventuale avaria.
1.1.1.1.3.43.43.43.4 I robot di terza generazione I robot di terza generazione I robot di terza generazione I robot di terza generazione
Sono macchine auto programmabili e hanno la possibilità
di interagire con l’ ambiente esterno e l’ operatore
esterno in modo complesso (visione, voce, ecc.) in grado
di auto istruirsi per l’ esecuzione di un compito
assegnato.
La tecnologia impiegata è di alto livello e la
programmazione può avvenire online per mezzo di una
tastiera prensile oppure offline attraverso un videoterminale.
I linguaggi di programmazione non lavorano a basso livello come quelli di seconda
generazione .
Possono essere interfacciati con una banca dati CAD o in qualche modo con un
calcolatore host per il carico/scarico di dati.
Sono anche capaci e di mandare messaggi all’ operatore per descrivere la natura e l’
ubicazione delle eventuali avarie.
L’ utilizzo contemporaneo di questo genere di robot è per compiere compiti
“intelligenti”. La terza generazione (fine anni Ottanta) si è ormai evoluta al punto di
riuscire a svolgere operazioni altamente sofisticate come le ispezioni spaziali (fig. 2),
la saldatura ad arco adattiva e le operazioni di assemblaggio.
Fig. 2 Rover Spirit
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 13
1.3.5 I robot di quarta generazione1.3.5 I robot di quarta generazione1.3.5 I robot di quarta generazione1.3.5 I robot di quarta generazione
I robot della quarta generazione sono considerati i robot del futuro. Questi robot sono
chiamati androidi o umanoidi, androidi o umanoidi, androidi o umanoidi, androidi o umanoidi, ovvero automi con sembianze umane che imitano
azioni e funzioni umane.
Qui lo studio si è diviso in due: da un lato gli studiosi si sono concentrati sui
sorprendenti umanoidi, simili a manichini con visi di silicone, truccati e vestiti.
Dall’ altro lato invece si sono sviluppati i cosiddetti bipedi, con forme umane ma simili
ai robot dei cartoni animati, dotati anche di capacità di apprendimento e di muoversi
sfruttando una vasta gamma di movimenti.
Non sono più solo robot industriali, ma anche sociali e a volte sono impiegati per
indagare l’ interazione sociale degli umani.
1.4 La robotica e la letteratura1.4 La robotica e la letteratura1.4 La robotica e la letteratura1.4 La robotica e la letteratura
Molto tempo prima che esistessero i computer, o conoscenze dell’ elettronica, l’ uomo
era già attratto dall’ idea di creare intelligenza all’ esterno del corpo umano.
Uno dei primi modi con cui si cerca di mettere in opera questo progetto è legato alla
immaginazione utilizzando le parole.
Per esempio nelle opere di Jules Verne, non solo si trovano dei veri e propri androidi
ma anche macchine che assumono qualità umane.
Il racconto più famoso è senza dubbio “Frankeinstein” (1818) di Mery Shelley in cui
viene creato un mostro utilizzando l’ energia elettrica.
La letteratura può considerarsi il mezzo con cui la robotica ha avuto inizio e infatti il
termine “robot” compare per la prima volta in un romanzo di Karel Capek scritto nel
1923, Rossum’s Universal Robots.
Il tema principale di questi tipi di racconti è la rivolta dei robot contro l’ uomo, fino
all’ arrivo di Isaac Asimov, il quale ne cambia totalmente l’ immagine; il robot diventa
un amico, un collaboratore, una creatura da capire con molti doveri e anche qualche
diritto.
Dopo Asimov, dai robot si passa agli androidi e la situazione si ribalta di nuovo, si
comincia a parlare della libertà dei robot e dell’ essere riconosciuti come esseri umani.
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 14
L’ argomento dei robot-androidi è stato visto dalla fantascienza a 360°, tanto che con
il tempo l’ interesse si è andato spostando verso i cyborg, un incrocio tra uomo e
macchina. In ambito letterario nasce il Cyberpunk, che ha caratterizzato gli anni
ottanta. Il nuovo spazio da esplorare, dopo quello esterno tra le stelle e quello Il nuovo spazio da esplorare, dopo quello esterno tra le stelle e quello Il nuovo spazio da esplorare, dopo quello esterno tra le stelle e quello Il nuovo spazio da esplorare, dopo quello esterno tra le stelle e quello
interiore della psiche, è quellointeriore della psiche, è quellointeriore della psiche, è quellointeriore della psiche, è quello virtualevirtualevirtualevirtuale delle tecnologiedelle tecnologiedelle tecnologiedelle tecnologie informaticheinformaticheinformaticheinformatiche e di e di e di e di
telecomunicazione.telecomunicazione.telecomunicazione.telecomunicazione.
L’ opera più significativa di questo movimento è la trilogia di William Gibson,
composta dai romanzi “Neuromante”, “Giù nel ciberspazio” e “Monna Lisa Cyberpunk”.
In questi romanzi Gibson precorre le odierne tecnologie, anticipa la rete e la realtà
virtuale, in particolare conia il termine “ciberspazio” indicante uno spazio oggettivo in
cui si entra usando la tastiera del proprio computer. Perciò i suoi personaggi si
muovono all’ interno dei network informatici. Oggi il cyberpunk è ufficialmente morto,
ma ha lasciato una serie di concetti molto importanti che sono utilizzati ancora ai
giorni nostri.
1.4.1.4.1.4.1.4.1 1 1 1 Isaac AsimovIsaac AsimovIsaac AsimovIsaac Asimov
Isaac Asimov was born in Petrovichi ( Russia ) in 1920. At the age of three years
he followed his parents who emigrate to the United States.
He is of Jewish origin, and he grew up in New York, in Brooklyn district, where his
father ran a confectionery store for many years.
He graduated in Chemistry and in Biology and he taught at the prestigious Boston
University School of Medicine.
In 1939 he stopped teaching and in 1950 he became a full-time writer.
He spent almost all of his time at the typewriter, this is a proof of his immense
production over 53 years includes some 450 publications.
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 15
It is interesting to see how a man who imagined a journey through space humanity
in time of immense distances, did not like travelling and was terrified by the
airplane.
Of course with his mind he has ranged far beyond the physical and mental limits of
the common man.
Then he had two children and he married for the second time with a psychiatrist
Janet Jeppson.
In 1992 Asimov died in Manhattan.
1.4.2 His w1.4.2 His w1.4.2 His w1.4.2 His writingsritingsritingsritings
Asimov is considered one of the greatest writers of science fiction.
He was undeniably the first to make this kind of narrative content of private
consumption typical of so-called pulp magazines in literature class.
Asimov's popularity is even greater in many European countries, including Spain
and Italy, where it is considered science fiction writer par excellence and is often
the only one to be known among his colleagues.
His first story, “Shipwreck off of Vesta”, which was published in 1939, was written
when Asimov was just 18 years.
One of his most famous writings is the “Cycle of the foundations”, written between
1942 and 1949 and published on the magazine of John Campbell, the author of
“ Astounding Science Fiction.”
This story is about the fall of the Galactic empire.
Then, the works on the robot collected in four gathering: “I Robot”, “The Rest of
the Robots”, “The Bicentennial Man and Other Stories” and “The Complete Robot”.
Here Asimov enunciated the Three Laws of Robotics. Three Laws of Robotics. Three Laws of Robotics. Three Laws of Robotics.
In some of his later stories he added a more general law, the “Act Zero”:
“A robot may not harm humanity, and can not afford that, because of its lack of
action taken to harm humanity”
After, Asimov wrote other stories, like “The Cycle of the robots” or “The cycle of the
Empire”.
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 16
1.4.3 1.4.3 1.4.3 1.4.3 First LawFirst LawFirst LawFirst Law
Mike Donovan looked at his empty beer mug, felt bored, and decided he had
listened long enough. He said, loudly, "If we're going to talk about unusual robots,
I once knew one that disobeyed the First Law."
And since that was completely impossible, everyone stopped talking and turned to
look at Donovan.
Donovan regretted his big mouth at once and changed the subject. "I heard a good
one yesterday," he said, conversationally, "about-" MacFarlane in the chair next to
Donovan's said, "You mean you knew a robot that harmed a human being?" That
was what disobedience to First Law meant, of course.
"In a way," said Donovan. "I say I heard one about-" "Tell us about it," ordered
MacFarlane. Some of the others banged their beer mugs on the table.
Donovan made the best of it. "It happened on Titan about ten years ago," he said,
thinking rapidly. "Yes, it was in twenty-five. We had just recently received a
shipment of three new-model robots, specially designed for Titan. They were the
first of the MA models. We called them Emma One, Two and Three." He snapped
his fingers for another beer and stared earnestly after the waiter. Let's see, what
came next?
MacFarlane said, "I've been in robotics half my life, Mike. I never heard of an MA
serial order."
"That's because they took the MA's off the assembly lines immediately after-after
what I'm going to tell you. Don't you remember?"
"No." Donovan continued hastily. "We put the robots to work at once. You see, until
then, the Base had been entirely useless during the stormy season, which lasts
eighty percent of Titan's revolution about Saturn. During the terrific snows, you
couldn't find the Base if it were only a hundred yards away. Compasses aren't any
use, because Titan hasn't any magnetic field.
"The virtue of these MA robots, however, was that they were equipped with
vibrodetectors of a new design so that they could make a beeline for the Base
through anything, and that meant mining could become a through-the-revolution
affair. And don't say a word, Mac. The vibro-detectors were taken off the market
also, and that's why you haven't heard of them." Donovan coughed. "Military secret,
you understand."
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 17
He went on. "The robots worked fine during the first stormy season, then at the
start of the calm season, Emma Two began acting up. She kept wandering off into
corners and under bales and had to be coaxed out. Finally she wandered off Base
altogether and didn't come back. We decided there had been a flaw in her
manufacture and got along with the other two. Still, it meant we were shorthanded,
or short-roboted anyway, so when toward the end of the calm season, someone
had to go to Kornsk, I volunteered to chance it without a robot. It seemed safe
enough; the storms weren't due for two days and I'd be back in twenty hours at the
outside.
"I was on the way back-a good ten miles from Base-when the wind started blowing
and the air thickening. I landed my air car immediately before the wind could
smash it, pointed myself toward the Base and started running. I could run the
distance in the low gravity all right, but could I run a straight line? That was the
question. My air supply was ample and my suit heat coils were satisfactory, but ten
miles in a Titanian storm is infinity.
"Then, when the snow streams changed everything to a dark, gooey twilight, with
even Saturn dimmed out and the sun only a pale pimple, I stopped short and
leaned against the wind. There was a little dark object right ahead of me. I could
barely make it out but I knew what it was. It was a storm pup; the only living thing
that could stand a Titanian storm, and the most vicious living thing anywhere. I
knew my space suit wouldn't protect me, once it made for me, and in the bad light,
I had to wait for a pointblank aim or I didn't dare shoot. One miss and he would be
at me.
"I backed away slowly and the shadow followed. It closed in and I was raising my
blaster, with a prayer, when a bigger shadow loomed over me suddenly, and I
yodeled with relief. It was Emma Two, the missing MA robot. I never stopped to
wonder what had happened to
it or worry why it had. I just howled, 'Emma, baby, get that storm pup; and then get
me back to Base.'
"It just looked at me as if it hadn't heard and called out, 'Master, don't shoot. Don't
shoot.'
"It made for that storm pup at a dead run. " 'Get that damned pup, Emma,' I
shouted. It got the pup, all right. It scooped it right up and kept on going. I yelled
myself hoarse but it never came back. It left me to die in the storm."
Donovan paused dramatically, "Of course, you know the First Law: A robot may not
injure a human being, or through inaction, allow a human being to come to harm!
Well, Emma Two just ran off with that storm pup and left me to die. It broke First
Law. "Luckily, I pulled through safely. Half an hour later, the storm died down. It
had been a premature gust, and a temporary one. That happens sometimes. I hot-
footed it for Base and the storms really broke next day. Emma Two returned two
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 18
hours after I did, and, of course, the mystery was then explained and the MA
models were taken off the market immediately."
"And just what," demanded MacFarlane, "was the explanation?" Donovan regarded
him seriously. "It's true I was a human being in danger of death, Mac, but to that
robot there was something else that came first, even before me, before the First
Law.
Don't forget these robots were of the MA series and this particular MA robot had
been searching out private nooks for some time before disappearing. It was as
though it expected something special-and private-to happen to it. Apparently,
something special had."
Donovan's eyes turned upward reverently and his voice trembled. "That storm pup
was no storm pup. We named it Emma Junior when Emma Two brought it back.
Emma Two had to protect it from my gun. What is even First Law compared with
the holy ties of mother love?"
2.2.2.2. Etica e robotEtica e robotEtica e robotEtica e robot
Fino a che punto siamo disposti a convivere con i robot, ad affidarci a loro nella vita
quotidiana, nell’accudimento e nelle cure?
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 19
Gli Stati Uniti sono all’ avanguardia ( si pensi per esempio all’ esplorazione di Marte),
ma è il Giappone il paese che più di ogni altro ha investito nel settore.
Per quanto riguarda invece l’ Italia, il centro della ricerca robotica è Genova, noto per
le ricerche sulla visione e sul coordinamento senso-motorio.
Il numero di robot sta diventando sempre più elevato, e nei prossimi anni si avrà a
che fare sempre più spesso con i robot, perciò è necessario riflettere sulle regole che
si dovranno tenere per gestire il nostro rapporto con essi in modo da prevenire
situazioni pericolose o dannose per le persone. Nel 2006 un convegno di robotica
tenutosi a Palermo ha anticipato alcuni punti che dovranno essere rispettati nei
rapporti con i vari robot. La stesura del documento è stato regolato dalla Scuola di
Robotica di Genova con l’ aiuto di filosofi, giuristi, psicologi e sessuologi.
Si può parlare di conflitto, quello che c’è tra la uomo e macchina; esse devono
obbedire alla nostra programmazione, e la loro autonomia potrebbe indurli a decisioni
nocive nei nostri confronti. Questi sono i problemi che aveva in mente Asimov quando
formula le “Tre leggi della robotica”, le quali vietano ai robot di compiere azioni
dannose per gli essere umani.
In Giappone si può toccare con mano quanto possa diventare reale il rapporto uomo-
robot quando per esempio il robot diventa un (o una) badante con sembianze umane
oppure quando il robot diventa una specie di animale domestico ( il robot cane della
Sony, che per anni ha svolto la funzione di “animale” da compagnia). Questa
tecnologia sempre più invasiva e onnipresente non può non avere effetti profondi sull’
immagine che abbiamo di noi stessi e specchiandoci in quello straniante alter ego che
sta diventando il robot, forse riusciremo a capire qualcosa di più di noi stessi.
Ritornando però alla questione principale, l’uso massiccio dei robot potrebbe
cambiare la società probabilmente in modo simile a come hanno fatto le automobili e
gli aeroplani e in effetti ha già cambiato la società, basti pensare ai robot industriali
che sono un fattore importante rispetto alla crescente disoccupazione in Europa; ma
allo stesso tempo può portare al lavoratore un aiuto molto importante perché può
sostituirlo professioni troppo pericolose e insicure, oppure in lavori troppi noiosi o
umilianti.
Un utilizzo altrettanto massiccio invece è rappresentato dai robot impiegati in campo
sociale, ma anche in questa circostanza ci sono pro e contro. I pro sono interpretati
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 20
dai robot a disposizione di anziani o disabili , aiutati nelle loro azioni quotidiane.
Molto singolare e contemporaneamente molto interessante è il caso di “Kaspar”, un
bambino robot sviluppato nell'ambito del progetto europeo Interactive Robotic Social
Mediators as Companions (IROMEC) che promette di incoraggiare le interazioni sociali
nei soggetti autistici, isolati da una scarsa consapevolezza della propria persona e dei
propri sentimenti. Esso è messo a punto appositamente per insegnare ai bambini
autistici a relazionarsi socialmente.
I contro invece sono rappresentati dai tanti utilizzi dei robot da parte di persone che
li acquistano solamente per la pigrizia di non tagliare l’erba del giardino oppure
passare l’
aspirapolvere in salotto. Sono robot che vanno ad aggiungere pigrizia alla pigrizia e
sicuramente non portano il contributo che la robotica dovrebbe dare all’ umanità.
2.1 Campi di applicazione2.1 Campi di applicazione2.1 Campi di applicazione2.1 Campi di applicazione
La scienza robotica, proprio in virtù della sua natura interdisciplinare, trova
applicazioni in molteplici contesti e questo ha fatto sì che nascessero varie sotto-
discipline fra le quali però raramente esiste una netta linea di demarcazione.
• Arte robotica: Arte robotica: Arte robotica: Arte robotica: robotica utilizzata sia per creare nuove forme di espressione
artistica sia per imitare e riprodurre le forme artistiche già esistenti come i
robot progettati per dipingere o per suonare uno strumento musicale
analizzando in tempo reale uno spartito;
• Robotica biomedicale: Robotica biomedicale: Robotica biomedicale: Robotica biomedicale: robotica applicata in campo medico; si va dai robot
capaci di assistere il medico durante le operazioni chirurgiche alla radioterapia
che, tramite tecnologie di telepresenza, permettono al medico di operare a
distanza. Rientrano nella categoria anche le sofisticate apparecchiature per
analisi biologiche utilizzate nei laboratori ;
• Domotica: Domotica: Domotica: Domotica: scienza interdisciplinare che si occupa
dello studio delle tecnologie atte a migliorare la qualità della vita nella casa e
più in generale negli ambienti antropizzati;
• Microrobotica:Microrobotica:Microrobotica:Microrobotica: si occupa dello studio e della diffusione di piccoli robot a basso
costo utilizzati per scopi educativi o ludici ( che riguardano il gioco) ;
• Robotica industriale: Robotica industriale: Robotica industriale: Robotica industriale: il campo industriale è sicuramente quello in cui i robot
hanno trovato maggiore diffusione: il loro impiego nelle catene di
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 21
montaggio ha permesso alle aziende di abbattere notevolmente i costi
accelerando e migliorando la produzione. Fra i robot più utilizzati dall'industria
vi è il braccio robotico o robot manipolatore, costruito a imitazione del braccio
umano ma spesso dotato di più gradi di libertà: è una macchina molto versatile
che si presta a svariate mansioni tra cui verniciatura, saldatura o montaggio.
Interessante notare come questa tipologia di macchine sia spesso utilizzata per
produrre altri robot simili rendendo le speculazioni fatte
dalla fantascienza sulle macchine autoreplicanti un discorso molto più vicino
alla nostra quotidianità;
• RoboRoboRoboRobotica militare: tica militare: tica militare: tica militare: robot utilizzati in ambito militare. Questi tipi di robot sono
utilizzati più che altro con scopi di ricognizione e vigilanza fra i quali troviamo
ad esempio gli aerei privi di equipaggio detti droni. Questo tipo di veicoli è sì
controllato a distanza da personale apposito ma in caso di emergenza può
anche compiere diversi compiti in totale autonomia permettendo la
ricognizione di teatri di guerra pesantemente difesi senza mettere a repentaglio
vite umane. Altro esempio di robotica militare sono i robot artificieri che sono
in grado, grazie al numeroso set di strumenti di cui sono muniti, di compiere
analisi su un ordigno esplosivo ed eventualmente neutralizzarlo a distanza
riducendo drasticamente i rischi per gli artificieri;;;;
• Robotica spaziale: Robotica spaziale: Robotica spaziale: Robotica spaziale: anche se sviluppa tecnologie e metodiche destinate
all'impiego di robot fuori dall'atmosfera terrestre, questo settore della robotica
ha raggiunto dei risultati utili anche in campi che esulano dalla
ricerca spaziale. Esempi di questi robot sono le sonde esplorative impiegate in
diverse missioni sui pianeti del sistema solare, ma anche robot più
tradizionali come il famoso braccio manipolatore dello Space Shuttle o quello
con sembianze umane destinato alla ISS e che verrà utilizzato in sostituzione
degli astronauti nelle attività extraveicolari;
• Robotica sociale: Robotica sociale: Robotica sociale: Robotica sociale: cerca di sviluppare tecnologie che rendano i robot sempre più
capaci di interagire e comunicare con gli esseri umani in modo autonomo.
2.2 Robot industriali2.2 Robot industriali2.2 Robot industriali2.2 Robot industriali
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 22
L’ automazione industriale è l’ insieme delle tecnologie rivolte ad utilizzare sistemi L’ automazione industriale è l’ insieme delle tecnologie rivolte ad utilizzare sistemi L’ automazione industriale è l’ insieme delle tecnologie rivolte ad utilizzare sistemi L’ automazione industriale è l’ insieme delle tecnologie rivolte ad utilizzare sistemi
meccanici, elettronici, informaticmeccanici, elettronici, informaticmeccanici, elettronici, informaticmeccanici, elettronici, informaticiiii per il controllo e la produzione nell’ industria, in per il controllo e la produzione nell’ industria, in per il controllo e la produzione nell’ industria, in per il controllo e la produzione nell’ industria, in
modo da sostituire l’ omodo da sostituire l’ omodo da sostituire l’ omodo da sostituire l’ operatore umano, non solo per l’ esecuzione materiale delle peratore umano, non solo per l’ esecuzione materiale delle peratore umano, non solo per l’ esecuzione materiale delle peratore umano, non solo per l’ esecuzione materiale delle
operazione, ma anche per l’ elaborazione intelligente delle informazioni. operazione, ma anche per l’ elaborazione intelligente delle informazioni. operazione, ma anche per l’ elaborazione intelligente delle informazioni. operazione, ma anche per l’ elaborazione intelligente delle informazioni.
L’ automazione industriale si divide in automazione rigidarigidarigidarigida, impiegata per
elevatissimi ritmi di produzione e caratterizzata da una scarsa o nulla possibilità di
riprogrammazione, automazione programmabileprogrammabileprogrammabileprogrammabile, rappresentata da piccoli e medi
volumi di produzione e possibilità di riprogrammazione, automazione flessibileflessibileflessibileflessibile che
comprende macchinari che possono essere utilizzati in diverse lavorazioni con
modesti cambiamenti.
Il robot industriale si compone di una struttura meccanicastruttura meccanicastruttura meccanicastruttura meccanica con attuatori e sensori e un’
unità di governounità di governounità di governounità di governo.
Esempi di impiego della robotica industriale:
Da: “Introduzione alla Robotica industriale” Politecnico di Milano
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 23
2.3 Robot militari2.3 Robot militari2.3 Robot militari2.3 Robot militari
Il settore militare è uno dei settori con maggior investimento in tutto il mondo. Vi
sono ricerche avanzate sugli eserciti del futuro dove i robot avranno parte da
protagonista.
Ma non bisogna pensare a una guerra fra robot, perché l’ impiego dei robot in ambito
militare è legato soprattutto ad azioni di ricognizione e sorveglianza, soprattutto il
luoghi ostili o pericolosi per l’ uomo.
Di seguito alcuni esempi di robot militari:
Big DogBig DogBig DogBig Dog: sembrerà una stupidaggine ma riuscire a far
camminare una macchina, che riesca a tenersi
in equilibrio e che possa essere usata in ogni tipo di
terreno è, attualmente, uno dei maggiori scogli da
superare per la robotica. Ecco allora Big Dog, un robot
a disposizione della Marina Militare Americana, un
quadrupede dinamico e stabile in grado di camminare
su qualsiasi superficie, ed è anche in grado di stare in
equilibrio a seguito di violenti scontri o urti. Per il
movimento BigDog utilizza quattro gambe, che gli
permettono di muoversi su superfici sulle quali le ruote non potrebbero andare. Le
gambe sono dotate di molti sensori, tra i quali quelli per la posizione e quelli per il
contatto con il terreno. BigDog è anche dotato di un giroscopio laser e di un
sistema di visione stereoscopica. È attualmente in grado di attraversare terreni
difficili a 5,3 km orari, trasportare un carico di 154 kg, procedendo in salita su
pendii con 35 gradi di inclinazione.
Video completo : http://www.youtube.com/watch?v=W1czBcnX1Ww
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 24
DroneDroneDroneDrone: è un robot con limitate capacità
decisionali ma che può anche essere comandato
a distanza . Questi velivoli vengono utilizzati
con scopi prettamente bellici di pattugliamento
ed incursione aerea a corto, medio e lungo raggio. I droni possono essere pilotati a
distanza o programmati per l'esecuzione di missioni di tipo semplice.
Robot artificieri: Robot artificieri: Robot artificieri: Robot artificieri: un esempio è il robot “Wheelbarrow Mk8 plus”, il cui nome in
inglese vuol dire «carriola». È il robot usato dagli artificieri italiani in Afghanistan
per disinnescare le bombe. E più che una carriola, somiglia a un minuscolo carro
armato, dotato di grandi cingoli per avanzare, due telecamere al posto degli occhi
e due pinze usate come mani. I soldati lo controllano a distanza di sicurezza con
un radiocomando. Il robot può prendere le bombe, trasportarle in un luogo sicuro
dove poi verranno
fatte saltare, oppure, con le sue pinze, tagliarne i
fili in modo da disattivarle.
Video :
http://www.youtube.com/watch?v=FqI1VM00t3s&f
eature=related
2.3.1 I robot a Fukushima2.3.1 I robot a Fukushima2.3.1 I robot a Fukushima2.3.1 I robot a Fukushima
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 25
Sarebbe troppo pericoloso per l’ uomo andare a effettuare rilevazioni ai reattori
danneggiati dallo tsunami dello scorso marzo nella centrale di Fukushima, per
questo sono entrati in azione una serie di robot messi a disposizione dagli Stati
Uniti. Il primo ad essere impiegato è stato un drone, che ha sorvolato la
centrale.
Il velivolo,dotato di camera infrarossi, ha dato importanti aiuti ai tecnici per
capire cosa realmente fosse successo all’ interno dei reattori danneggiati.
Altri due robot impiegati sono stati Warrior 710 e Packbot 510. Quest’ ultimo
può percepire la temperatura, la radiazione gamma, la presenza di gas e vapori
esplosivi, di sostanze tossiche, e può inviare dati in tempo reale. Warrior 710 e’
più corpulento e può spostare ammassi di macerie, può sollevare pesi anche di
90 chili e può prendersi a ‘cavalcioni’ Packbot 510 per aiutarlo in alcune
operazioni. Il Warrior 710 può anche
portare degli idranti per contribuire al
raffreddamento dei reattori.
2.4 I 2.4 I 2.4 I 2.4 I robot robot robot robot in medicinain medicinain medicinain medicina
Per chirurgia robotica s’ intende una serie di
macchinari che attualmente sono sviluppati per
supportare una vasta gamma di procedure
chirurgiche.
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 26
I robot impiegati in ambito medico si distinguono principalmente in tre categorie
principali:
• ttttecnologie per l’assistenzaecnologie per l’assistenzaecnologie per l’assistenzaecnologie per l’assistenza : robot e macchine che migliorano la qualità della
vita delle persone diversamente abili aumentandone l’ indipendenza.
A loro volta si dividono in :
ProtesiProtesiProtesiProtesi: : : :
FES (Functional ElectroFES (Functional ElectroFES (Functional ElectroFES (Functional Electro----Stimulation)Stimulation)Stimulation)Stimulation): : : :
Aiuti per la mobilità/manipolabilitàAiuti per la mobilità/manipolabilitàAiuti per la mobilità/manipolabilitàAiuti per la mobilità/manipolabilità: : : :
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 27
Assistenza Assistenza Assistenza Assistenza remotaremotaremotaremota::::
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 28
• rrrrobotica chirurgicaobotica chirurgicaobotica chirurgicaobotica chirurgica: utilizzata per esempio nelle sale operatorie o per la
diagnosi;
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 29
• robotica riabilitativarobotica riabilitativarobotica riabilitativarobotica riabilitativa: robot e strumenti meccatronici per la riabilitazione
neuromotoria;
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 30
2.5 I robot e le competizioni2.5 I robot e le competizioni2.5 I robot e le competizioni2.5 I robot e le competizioni
Le competizioni robotiche sono una forma di spettacolo in cui robot del tutto
autonomi o, in alcuni casi, dei dispositivi telecomandati si affrontano in diversi tipi di
combattimento. Sono diffuse a molti livelli: dalle fiere e dagli istituti scolastici di
elettronica fino a trasmissioni televisive dedicate e competizioni a livello nazionale o
internazionale.
Nel mondo piuttosto eterogeneo delle competizioni robotiche si possono identificare
una certo insieme di "stili" particolarmente noti e diffusi:
� robot warrobot warrobot warrobot war è una gara in cui lo scopo è la distruzione dell'avversario;
� mmmminisumoinisumoinisumoinisumo come nell'omonima disciplina giapponese, i robot (che devono
rispettare precise regole relative a ingombro e peso) sono posti in
un ring circolare con lo scopo di spingere fuori l'avversario;
� explorerexplorerexplorerexplorer dove in un labirinto il robot deve trovare delle fonti di suono, luce e
gas;
� line followerline followerline followerline follower seguire una linea sembra facile, ma la velocità è tutto;
� R.T.C.R.T.C.R.T.C.R.T.C. Robo Tolomeo CupRobo Tolomeo CupRobo Tolomeo CupRobo Tolomeo Cup, la nuova gara robotica che sta prendendo forma in
Italia, dove un esploratore evoluto deve raggiungere una posizione con uno
scarto di pochi mm evitando ostacoli e avvalendosi di odometria e PID,
tornando poi indietro al punto di partenza;
� RoboCup,RoboCup,RoboCup,RoboCup, un vero e proprio torneo di calcio in cui i giocatori sono dei robot
autonomi. Rappresenta un tipo di
competizione molto diffuso, soprattutto
negli ultimi anni.
Il mondo delle competizioni robotiche ha un
proprio pubblico di appassionati che danno vita a
comunità (virtuali e non). L'autocostruzione dei dispositivi è pratica molto diffusa e lo
scambio di informazioni molto frequente. L'alto livello di fair play rende queste
competizioni molto piacevoli sia per chi partecipa sia per gli spettatori, che spesso si
ritrovano coinvolti come giudici e cronometristi.
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 31
3.3.3.3. Approfondimento: Approfondimento: Approfondimento: Approfondimento: il il il il braccio mbraccio mbraccio mbraccio meccanicoeccanicoeccanicoeccanico
Il braccio meccanico, o manipolatore, rappresenta un esempio di macchina industriale,
utilizzata per moltissime attività, quali ad esempio la saldatura, l’ assemblaggio e il
carico/scarico di merci. E’ multifunzionale e riprogrammabile, progettato per muovere
materiali, parti, attrezzi o dispositivi specialistici attraverso movimenti programmati
variabili, per l’ esecuzione di una varietà di compiti.
Il manipolatore è costituito da :
• una struttura meccanicastruttura meccanicastruttura meccanicastruttura meccanica che consiste in una serie di corpi rigidi ( braccibraccibraccibracci )
interconnessi tra loro per mezzo di articolazioni ( giuntigiuntigiuntigiunti ); nel manipolatore si
individuano una struttura portantestruttura portantestruttura portantestruttura portante che ne assicura la mobilità, un polso, polso, polso, polso, che
conferisce destrezza e un organo terminaleorgano terminaleorgano terminaleorgano terminale(o end effector)(o end effector)(o end effector)(o end effector) che esegue il
compito per cui il robot è utilizzato ( pinze per lo spostamento di oggetti,
saldatore per effettuare operazioni di saldatura, ecc );
• attuatoriattuatoriattuatoriattuatori che imprimono al manipolatore il movimento attraverso l’
azionamento dei giunti; solitamente si utilizzano motori elettrici, idraulici e
talvolta pneumatici;
• sensorisensorisensorisensori che misurano lo stato del manipolatore ( sensori propriocettivi ) ed
eventualmente lo stato dell’ ambiente ( sensori eterocettivi );
• una unità di governounità di governounità di governounità di governo (calcolatore) con funzioni di controllo e supervisione dei
movimenti del manipolatore.
Uno dei tanti vantaggi dei manipolatori è rappresentato dalla vasta gamma di
applicazioni d’ impiego, infatti è possibile utilizzarlo in operazione di :
� paletizzazione ( disposizione di oggetti in maniera preordinata su un
opportuno supporto raccoglitore )
� carico e scarico di magazzini
� carico e scarico di macchine operatrici e macchine utensili
� selezione e smistamento di parti
� confezionamento di merci
� saldatura ad arco e a punti
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 32
� verniciatura a spruzzo
� fresatura e trapanatura
� taglio laser e a getto d’ acqua
� cablaggio
� avvitatura
� collaudo dimensionale
� individuazione di difetti di fabbrica
� e altri ancora …
3.1 Struttura dei manipolatori3.1 Struttura dei manipolatori3.1 Struttura dei manipolatori3.1 Struttura dei manipolatori
Oltre alle parti precedentemente descritte, in un braccio meccanico si possono
anche distinguere :
o una struttura meccanica a catena cinematica aperta o a catena cinematica
chiusa;
o dei gradi di libertà ( descrizione di un compito );
o dei gradi di movimento (giunti prismatici o rotoidali );
o uno spazio di lavoro ( porzione dell’ ambiente circostante a cui può
accedere l’ organo terminale)
Schematizzazione manipolatore industriale con i relativi termini tecnici, a sette gradi di Schematizzazione manipolatore industriale con i relativi termini tecnici, a sette gradi di Schematizzazione manipolatore industriale con i relativi termini tecnici, a sette gradi di Schematizzazione manipolatore industriale con i relativi termini tecnici, a sette gradi di
movimentomovimentomovimentomovimento:
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 33
3333....1111.1 Manipolatore cartesiano .1 Manipolatore cartesiano .1 Manipolatore cartesiano .1 Manipolatore cartesiano
Il manipolatore cartesiano è caratterizzato da :
• tre giunti prismatici
• ad ogni grado di mobilità
corrisponde un grado di
libertà
• ottime caratteristiche di rigidezza meccanica
• precisione di posizionamento del polso costante nello spazio di
lavoro
• operazioni di trasporto e assemblaggio
• azionamento elettrici talvolta pneumatici
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 34
3.1.2 Manipolatore a portale3.1.2 Manipolatore a portale3.1.2 Manipolatore a portale3.1.2 Manipolatore a portale
Il manipolatore a portale si presenta con una struttura simile e quella a
fianco.
L’ impiego principale di questo genere di macchinari è quello dello
manipolazione di oggetti di dimensioni e peso rilevanti
3.1.3 Manipolatore cilindrico3.1.3 Manipolatore cilindrico3.1.3 Manipolatore cilindrico3.1.3 Manipolatore cilindrico
Il manipolatore cilindrico è
caratterizzato da:
• un giunto rotoidale e due
prismatici
• ad ogni grado di libertà
corrisponde un grado di
mobilità ( in coordinate cilindriche )
• buona rigidezza meccanica
• la precisione di posizionamento del polso si riduce al crescere dello
sbraccio orizzontale
• impiegato per operazioni di
trasporto di oggetti anche di
peso rilevante e anche per
azionamenti idraulici o
elettrici
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 35
3.1.4 Manipolatore sferico3.1.4 Manipolatore sferico3.1.4 Manipolatore sferico3.1.4 Manipolatore sferico
Il manipolatore sferico è caratterizzato da:
• due giunti rotoidali e uno prismatico
• ad ogni grado di mobilità
corrisponde un grado di
libertà
( in coordinate sferiche )
• discreta rigidezza meccanica
• precisione di posizionamento
del polso si riduce al crescere
dello sbraccio radiale
• azionamenti elettrici
3.1.4 Manipolatore SCARA3.1.4 Manipolatore SCARA3.1.4 Manipolatore SCARA3.1.4 Manipolatore SCARA
Il braccio meccanico con tecnologia
SCARA è contraddistinto da :
• due giunti rotoidali e uno
prismatico
• elevata rigidezza a carichi
verticali e cedevolezza a
carichi orizzontali
• la precisione di
posizionamento del polso si riduce al crescere della distanza del
polso stesso dall’ asse del primo giunto
• manipolazione di piccoli oggetti
• azionamenti elettrici
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 36
3.1.5 Manipolatore antropomorfo3.1.5 Manipolatore antropomorfo3.1.5 Manipolatore antropomorfo3.1.5 Manipolatore antropomorfo
Il termine “antropomorfo” deriva dal fatto che la
sua struttura è molto simile a quella di un braccio umano. E’ caratterizzato
da :
• tre giunti rotoidali
• spalla e gomito che connettono il braccio all’ avambraccio
3.2 Unità di controllo3.2 Unità di controllo3.2 Unità di controllo3.2 Unità di controllo e programmazione e programmazione e programmazione e programmazione
L’ unità di controllo è un sistema elettronico - informatico complesso e sofisticato.
Tra le principali funzioni di un sistema di controllo troviamo:
• Interfaccia con l’operatore (MMI)
• Programmazione dei compiti
• Pianificazione delle traiettorie
• Controllo in tempo reale del moto dei giunti
• Archivio ed elaborazione dati
• Gestione dell’interazione con altre macchine
• Diagnostiche, gestione malfunzionamenti
Queste specifiche sono relative al software, ma molto importanti sono anche quelle
dell’ hardware.
Ciò che contraddistingue l’ unità di controllo rispetto ai semplici elaboratori dal
punto di vista dell’ architettura sono :
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 37
� unità di controllo ed elaborazione potentissime ( multi – microprocessori)
� elettronica di potenza
Ci sono poi anche caratteristiche comuni quali ad esempio dispositivi di I/O e
comunicazione e sistemi di interfaccia uomo macchina.
Normalmente i robot vengono programmati mediante linguaggi di
programmazione simili a quelli usati per i computer. In questo caso i linguaggi di
programmazione sono propri dei costruttori ( per esempio la COMAU ha sviluppato
il linguaggio PDL2 ).
Per facilitare la programmazione nei sistemi è integrato l’ ambiente di
programmazione teaching by doingteaching by doingteaching by doingteaching by doing. L’ operatore fa muovere il manipolatore, o
giunto per giunto o secondo le direzioni cartesiane e man mano vengono
memorizzate le posizioni che poi saranno raccordate dal software di generazione
della traettoria.
A seguire un esempio di programma, in cui un robot prende un pezzo dal nastro
trasportatore e lo trasferisce o su una tavola o in un contenitore di scarto a
seconda di $DIN(2).
PROGRAMPROGRAMPROGRAMPROGRAM pezzopezzopezzopezzo
VAR VAR VAR VAR riposo, trasp, tavola, scarto : POSITIONriposo, trasp, tavola, scarto : POSITIONriposo, trasp, tavola, scarto : POSITIONriposo, trasp, tavola, scarto : POSITION
BEING CYCLEBEING CYCLEBEING CYCLEBEING CYCLE
MOVE TO MOVE TO MOVE TO MOVE TO riposoriposoriposoriposo
OPEN OPEN OPEN OPEN HAND 1HAND 1HAND 1HAND 1
WAIT FOR WAIT FOR WAIT FOR WAIT FOR $DIN(1)=ON $DIN(1)=ON $DIN(1)=ON $DIN(1)=ON //aspetta finchè il trasportatore è pronto//aspetta finchè il trasportatore è pronto//aspetta finchè il trasportatore è pronto//aspetta finchè il trasportatore è pronto
MOVE TO MOVE TO MOVE TO MOVE TO trasptrasptrasptrasp
CLOSE CLOSE CLOSE CLOSE HAND 1HAND 1HAND 1HAND 1
IFIFIFIF $DIN(2)=OFF$DIN(2)=OFF$DIN(2)=OFF$DIN(2)=OFF TTTTHENHENHENHEN //se il pezzo è buono//se il pezzo è buono//se il pezzo è buono//se il pezzo è buono
MOVE TO MOVE TO MOVE TO MOVE TO tavolatavolatavolatavola
ELSEELSEELSEELSE
MOVE TO MOVE TO MOVE TO MOVE TO scaricoscaricoscaricoscarico
ENDIFENDIFENDIFENDIF
OPENOPENOPENOPEN HAND HAND HAND HAND 1111 //depone il pezzo su tavolo o nello scarico//depone il pezzo su tavolo o nello scarico//depone il pezzo su tavolo o nello scarico//depone il pezzo su tavolo o nello scarico
ENDENDENDEND pezzopezzopezzopezzo
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 38
3.33.33.33.3 I robot e la fisica: la cinematica I robot e la fisica: la cinematica I robot e la fisica: la cinematica I robot e la fisica: la cinematica
La cinematica è quel ramo della fisica che si
occupa di descrivere quantitativamente il moto
dei corpi, senza porsi il problema di prevedere
il moto futuro a partire da grandezze note.
In ambito industrialeIn ambito industrialeIn ambito industrialeIn ambito industriale,,,, la cinematica studia la la cinematica studia la la cinematica studia la la cinematica studia la
relazione tra le posizioni dei giunti e le relazione tra le posizioni dei giunti e le relazione tra le posizioni dei giunti e le relazione tra le posizioni dei giunti e le
posiziposiziposiziposizioni e l’ orientamento dell’ organo terminale, chiamato anche end effectoroni e l’ orientamento dell’ organo terminale, chiamato anche end effectoroni e l’ orientamento dell’ organo terminale, chiamato anche end effectoroni e l’ orientamento dell’ organo terminale, chiamato anche end effector. . . .
3.33.33.33.3.1 La cinematica diretta.1 La cinematica diretta.1 La cinematica diretta.1 La cinematica diretta
Il problema cinematico diretto consiste nel determinare la posizione e
l’orientamento dell’end effector del manipolatore (indicato con xxxx), a partire
dalle coordinate di giunto qqqq.
Quindi dobbiamo trovare una funzione che metta in relazione x e q:
Esempio:
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 39
*
*
* proprietà
trigonometria
3.3.3.3.3333.2 La cinematica inversa.2 La cinematica inversa.2 La cinematica inversa.2 La cinematica inversa
Il problema cinematico inverso consiste nel determinare le coordinate di
giunto q q q q corrispondenti a una data posizione e a un dato orientamento
dell’end effector (xxxx) del manipolatore.
Quindi dobbiamo trovare una funzione che metta in relazione x e q:
In generale può non esistere soluzione, possono esisterne infinite o, come
di norma accade, esisterne in numero finito.
3.3.3 Altre operazioni3.3.3 Altre operazioni3.3.3 Altre operazioni3.3.3 Altre operazioni
Cinematica differenziale:Cinematica differenziale:Cinematica differenziale:Cinematica differenziale: studia il legame tra le velocità dei giunti e la
velocità dell’ organo terminale. Il legame è espresso da una matrice, detta
JacobianoJacobianoJacobianoJacobiano del manipolatore.
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 40
Statica :Statica :Statica :Statica : esprime il legame tra un vettore di forze F F F F applicate all’end effector e il corrispondente vettore di coppie generalizzate τ che tiene in equilibrio il
sistema.
Pianificazione della traettoria:Pianificazione della traettoria:Pianificazione della traettoria:Pianificazione della traettoria: con la pianificazione della traiettoria s’
intende stabilire la modalità con cui si vuole che evolva il movimento del
manipolatore, da una postura iniziale ad una postura finale. Si tratta di
definire sia il percorso geometrico sia la legge di moto da realizzare.
4.4.4.4. Robarman: il braccio made in ITISRobarman: il braccio made in ITISRobarman: il braccio made in ITISRobarman: il braccio made in ITIS Rapida anteprima
Il nome “Robarman” è costituito a sua volta da due termini : “Rob” e “Barman”. Il primo fa
capire come lo strumento sia un dispositivo robotico, in particolare un braccio robotico.
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 41
Mentre il secondo è la traduzione inglese della parola “barista”, ossia colui che per
professione versa le bevande al cliente. L’ idea di questo nome nasce dal fatto che, nella
fase iniziale della progettazione, lo si era costruito appunto per versare le bevande.
Solamente in fase di realizzazione, i campi di applicazione sono andati aumentando ed è
per questo che attualmente Robarman può essere comandato tramite la tastiera di un
semplice computer, può memorizzare la sequenza di mosse e riprodurle, può vedere ( nel
senso che è dotato di una webcam a bordo ), può sentire ( perché è comandabile con
comandi vocali), può essere comandato da remoto attraverso tecnologia TCP e può
giocare al gioco “Forza 4” contro un avversario umano. Non si escludono ulteriori
miglioramenti e aumento delle sue funzioni.
Il sistema è costituito da tre parti:
• la parte meccanica, costituita dai servomotori per permettere il
movimento al braccio, e la struttura di metallo;
• la parte dell’ intelligenza, rappresentata dal computer in cui
risiede il software specifico;
• un dispositivo che fa da tramite tra computer e la struttura meccanica, ovvero il
microcontrollore ArduinoArduinoArduinoArduino, che trasforma i segnali che gli arrivano dal computer in
segnali elettrici che vanno direttamente al circuito azionando adeguatamente i vari
servomotori.
Arduino: Arduino: Arduino: Arduino: si tratta di una scheda dotata di un microcontrollore della Atmel (ATmega168 a
16 MHz), con quattordici I/O digitali e sei input analogici. E’ un hardware "open source"
nel senso che le specifiche hardware sono aperte e liberamente riutilizzabili, si collega al
computer tramite una porta USB da cui ricava l'alimentazione, è dotato di una piattaforma
di programmazione GUI compatibile PC/MAC/Linux, e si programma in "C" in modo
molto semplice. L’ interfaccia GUI è programmata con linguaggio “Java”.
Schema del sistema: Schema del sistema: Schema del sistema: Schema del sistema:
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 42
Il Il Il Il softwaresoftwaresoftwaresoftware sul computer sul computer sul computer sul computer : : : :
Il software è stato scritto in
linguaggio Microsoft C#.
Può effettuare tre operazioni
principalmente, la gestione del braccio da locale, da remoto
con architettura client- server e connessione TCP e infine il
gioco di “Forza 4”.
Poi, all’ interno di ogni sezione ci sono le varie modalità di comando vocale o di
riproduzione delle sequenze, ecc.
Il software si presenta con la seguente interfaccia iniziale:
Sul lato destro si possono effettuare le
varie modalità di utilizzo del
sistema.
Start registrazione:
il braccio memorizza
la sequenza di
mosse
Stop registrazione:
ferma la
memorizzazione
delle mosse
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 43
Modalita di gestione locale: Modalita di gestione locale: Modalita di gestione locale: Modalita di gestione locale:
ModalitàModalitàModalitàModalità di gestione remota: di gestione remota: di gestione remota: di gestione remota:
ClieClieClieClientntntnt: è colui che decide le mosse da far ServerServerServerServer: è colui che ricevendo i
comandi
fare al braccio, aiutandosi anche con la dal client deve trasferirli all’ Arduino per
webcam e una videochiamata Skype far muovere i servomotori in maniera
con il server. adeguata
Avvio webcam:
apre un nuovo
form che attiva la
webcam a bordo
del braccio
Riproduce le
mosse
registrate
Elimina la
registrazione
precedente
Avvia il
riconoscimento
vocale.
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 44
ModalitàModalitàModalitàModalità “Forza 4”: “Forza 4”: “Forza 4”: “Forza 4”:
Grazie alla webcam del computer, mettendo la griglia di gioco nel riquadro, alla pressione
del tasto “Passa il turno” il software analizza i colori dei pixel in posizione predefinita e
passa la matrice al programma di intelligenza artificiale che mi restituisce il numero
colonna, che a sua volta va comunicata al braccio meccanico tramite Arduino.
L’ IDE Arduino L’ IDE Arduino L’ IDE Arduino L’ IDE Arduino : : : :
L'IDE di Arduino è un'applicazione multipiattaforma scritta in Java, ed è derivata dall'IDE
creato per il linguaggio di programmazione Processing.
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 45
Per permettere la stesura del codice sorgente la scheda include inoltre un editore di
testo dotato di alcune particolarità, come il syntax highlighting, il controllo delle
parentesi, e l'indentazione automatica. L'editor è inoltre in grado di compilare e lanciare il
programma eseguibile in una sola passata e con un singolo click. L'ambiente di sviluppo
integrato di Arduino è fornito di una libreria software C/C++ chiamata "Wiring"
(dall'omonimo progetto Wiring), che rende molto più semplice implementare via software
le comuni operazioni input/output. I programmi di Arduino sono scritti in C/C++, ma,
per poter creare un file eseguibile, all'utilizzatore non è chiesto altro se non definire due
funzioni:
� setup() – una funzione invocata una sola volta all'inizio di un programma che può
essere utilizzata per i settaggi iniziali
� loop() – una funzione chiamata ripetutamente fino a che la scheda non viene
spenta.
syntax highlightingsyntax highlightingsyntax highlightingsyntax highlighting: si intende la caratteristica di un software, solitamente editor di testo,
di visualizzare un testo con differenti colori e font in base a particolari regole sintattiche.
Questa caratteristica, utilizzata soprattutto per il codice sorgente, facilità la scrittura in
un linguaggio strutturato come un linguaggio di programmazione o un linguaggio di
markup che dispone di una sintassi e di una grammatica precise.
Un tipico esempio di programma per iniziare la pratica con un microcontroller è quello,
molto semplice, che permette l'accensione ripetuta di un LED. Nell'ambiente di sviluppo
di Arduino, l'utilizzatore potrebbe farlo con un programmino come il seguente[3] :
#define LED_PIN 13
void setup () {
pinMode (LED_PIN, OUTPUT); // abilita il pin 13 per l'output digitale
}
void loop () {
digitalWrite (LED_PIN, HIGH); // accende il LED
delay (1000); // aspetta 1 secondo (1000 millisecondi)
digitalWrite (LED_PIN, LOW); // spegne il LED
delay (1000); // aspetta un secondo
}
Frammenti di codice commentati: Frammenti di codice commentati: Frammenti di codice commentati: Frammenti di codice commentati:
Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 46
#include <Servo.h> // libreria Arduino per i servi
Servo spalla_1; //dichiarazione oggetti di tipo Servo
int passog=2; // il passo, ossia ogni volta che fa un movimento si muove di 2 gradi
…
void setup() // inizializzazione
{
Serial.begin(9600); // baud rate : 9600
spalla_1.attach(11); // assegno il pin 11 di Arduino all’ oggetto servo spalla_1
spalla_1.write(90); // nel pin 11 mando il valore 90 che indica al servo di mettersi a 90°
}
…
void loop()
{
delay(50); // ritardo di 50 ms
if(Serial.available()) // controllo se la comunicazione seriale
int c = Serial.read(); //legge da seriale
if (c == 's') //controllo il valore della variabile c
{
apri_mano(); //richiamo alla funzione su()
}
}
…
void su()
{
… //contiene le istruzioni per far aprire la mano
}
Fonti:Fonti:Fonti:Fonti:
• www.wikipedia.it
• www.isaacasimov.it
• www.irobot.com
• www.unimi.it
• “Introduzione all’ automazione industriale” Politecnico di Milano