sperimenta anche tu! A SCUOLA DI ROBOT STUDENTI Al Horany Mohammad, Ambrosini Alessandro, Bacco Gianmarco, Magagna Marilla DOCENTI

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1 S P E R I M E N T A N D O sperimenta anche tu! A SCUOLA DI ROBOT STUDENTI Al Horany Mohammad, Ambrosini Alessandro, Bacco Gianmarco, Magagna Marilla DOCENTI Bubani Massimo, Sitta Elisa Istituto Comprensivo Antonio Pisano di Caldiero - Scuola Media di Belfiore Via degli Alpini 1, Belfiore (Vr) Telefono 045 fax:

2 Indice Introduzione! 1 Alpha Rex! 5 Apha Rex! 5 Cosa fa l Alpha Rex?! 5 Explorer! 8 Explorer! 8 Sensori utilizzati! 9 Progetto n 1 - NXT magnetico! 9 Progetto n 2 Percorso disegnato! 10 Progetto n 3 Trova una sorgente sonora! 10 Progetto n 4 Segue una sorgente sonora! 10 Zyker! 11 Zyker! 11 Sensori utilizzati! 12 Progetto n 1 Trova una pallina colorata e la afferra! 12 Progetto n 2 Robot a filo-conduzione! 12 Conclusioni! 13 Bibliografia e Sitografia! 13 i

3 Introduzione Il kit robotico LEGO Mindstorms NXT permette di realizzare costruzioni LEGO completamente programmabili. Una serie di accessori, collegati ad un'unità centrale dotata di processore e sistema programmabile, permettono di realizzare queste "costruzioni intelligenti", in grado muoversi e interagire con l'ambiente. Il software in dotazione con i kit permette di ideare e creare programmi di varia natura in modo molto intuitivo.! Il cervello NXT dispone di un display, di una serie di tasti (programmabili in base alle esigenze) e di alcuni connettori che permettono il collegamento via cavo dal mattoncino intelligente ai sensori ed ai motori.! La confezione I sensori e i motori Il mattoncino programmabile All interno del kit troviamo i seguenti componenti: pezzi LEGO Technic; 2. Tre servomotori, con sensore di rotazione integrato e feedback per il controllo di precisione; 3. Sensore di movimento e distanza ad ultrasuoni; 4. Sensore audio, con riconoscimento di tono e timbro; 5. Sensore luminoso, capace di rilevare colori e intensità luminosa; 6. Sensore tattile; 7. L NXT Brick è la parte del robot che controlla tutti i movimenti ed è costituito da un processore a 32 bit Atmel AT91SAM7S256 (classe ARM7) a 48 MHz 256KB memoria flash 64KB RAM; 1

4 8. Interfaccia bluetooth v2.0+edr (chipset CSR BlueCore 4 version 2, clockato a 26 MHz, con propri buffer RAM e firmware stack Bluelab 3.2) velocità teorica massima 0,46 Mbit/sec (per trasferire il software o per controllare il robot da remoto); 9. Display LCD bianco e nero da pixel (ogni pixel è circa 0,4 0,4mm); 10. Interfaccia per permettere lo sviluppo di periferiche da parte di terze parti. Caratteristiche del mattoncino programmabile DESCRIZIONE IMMAGINE Il cervello del robot NXT, le sue specifiche sono: processore a 32 bit Atmel AT91SAM7S256 (classe ARM7) a 48 MHz (riferimento 2 della figura) coprocessore 8 bit Atmel ATmega48 (classe AVR: è un RISC a 8 bit) a 8 MHz, con 4k flash e 512 byte RAM (riferimento 3 della figura) 256KB memoria flash 64KB RAM Interfaccia bluetooth v2.0+edr (chipset CSR BlueCore 4 version 2, clockato a 26 MHz, con propri buffer RAM e firmware stack Bluelab 3.2) velocità teorica massima 0,46 Mbit/sec (per trasferire il software o per controllare il robot da remoto) (riferimento 1 della figura) Display LCD bianco e nero da pixel (ogni pixel è circa 0,4 0,4mm); Speaker mono 8 bit fino a 16 KHz; tastiera con quattro tasti in gomma. 4 porte di input 3 porte di output Alimentazione con 6 batterie AA (1.5V)) oppure tramite batteria ricaricabile al litio 2

5 Caratteristiche dei sensori e servomotori DESCRIZIONE IMMAGINE Il sensore tattile della serie NTX può rilevare contatti singoli oppure multipli e va collegato al Mattone intelligente Il Sensore del Suono può misurare livelli di pressione di suono sino a 90 db circa. Livelli di pressione di suono sono estremamente complicati, così le letture del Sensore di Suono sul MINDSTORMS NXT sono rappresentate in percentuali [%]. l sensore di luce è uno dei due sensori che danno la visione al robot (l'altro è il sensore ad ultrasuoni) Il sensore di luce permette di distinguere tra luce e buio. Può leggere l'intensità leggera in una stanza e può misurare l'intensità leggera di superfici colorate. 3

6 DESCRIZIONE IMMAGINE Il Sensore ad ultrasuoni è uno dei due sensori che danno la visione al robot [l'altro è il sensore di luce]. Il Sensore ad ultrasuoni abilita il robot a vedere e scoprire oggetti, lo si può usare per evitare ostacoli, misurare distanze o rilevare dei movimenti Il Sensore al ultrasuoni misura distanza in centimetri e in pollici. Può misurare distanze da 0 a 255 centimetri con una precisione di + / - 3 cm. Per il suo funzionamento utilizza lo stesso principio scientifico usato dai pipistrelli: misura distanza calcolando il tempo impiegato da un'onda sonora a colpire un oggetto e ritornare come un'eco. Il sensore è più sensibile a oggetti grandi con superfici dure, mentre lo è meno con oggetti realizzati in stoffa o curvati [come una palla] oppure molto sottili e piccoli. Il servomotore ha al suo interno un sensore di rotazione per misurare sia la velocità che la distanza, che vengono trasmessi al processore del NXT. La possibilità di controllare accuratamente permette di sincronizzare più motori facendo in modo che si muovano alla stessa velocità. Caratteristiche del software DESCRIZIONE IMMAGINE Per programmare l'nxt si utilizza il software allegato al Kit. Ecco alcune delle principali caratteristiche: Software di semplice utilizzo (adatto ai bambini) Programmazione visuale (a blocchi) Blocchi preimpostati per tutte le funzioni principali Possibilità di personalizzare i blocchi Possibilità di programmazione avanzata (con un po' d'esperienza) 4

7 Alpha Rex Apha Rex L Alpha Rex è il classico modello di umanoide, costruito ispirandosi ad una creatura umana. L utilizzo di questo robot è stato molto limitato in quanto non dispone di ruote, ma solo gambe motorizzate che rendono impacciato il suo movimento. Come lo abbiamo costruito Alpha Rex è stato da noi costruito usando le istruzioni di montaggio in dotazione al CD del kit LEGO Mindstorms NXT, versione Educational. Si tratta di un montaggio abbastanza semplice e veloce, che richiede l utilizzo di tre motori e 3 sensori: ultrasuoni, anche se con opportune modifiche è possibile sostituirlo, e gli altri due a scelta. Costruzione del corpo dell Alpha Rex Le gambe dell Alpha Rex Il robot completato Cosa fa l Alpha Rex? Il nostro prototipo di umanoide è in grado di muoversi usando come mezzo locomotore le gambe meccaniche costruite con molta attenzione in quanto rappresenta la parte più complessa del progetto. Inoltre Alpha Rex è dotato di alcuni sensori programmabili in grado di reagire ad un comando sonoro, ad uno tattile ed in grado di misurare distanze grazie al sensore ad ultrasuoni montato sulla testa dell umanoide. Per l umanoide abbiamo realizzato tre programmi: 1. Alpha Rex cammina e si ferma ad un comando sonoro (programma fermati - suono); 2. Alpha Rex cammina e si ferma a quando si avvicina ad un ostacolo (programma fermati - vicino); 3. Alpha Rex cammina e si ferma quando tocca un ostacolo (programma fermati- touch). I s t i t u t o C o m p r e n s i v o A n t o n i o P i s a n o! 5

8 Sensori utilizzati sensore tattile (touch) sensore ultrasuoni (meter) sensore sonoro (sound) n 3 servomotori Progetto n 1 - cammina e si ferma ad un comando sonoro Il robot cammina e reagisce ad un comando sonoro. Al primo comando sonoro l ALPHA REX si mette a camminare Quando il robot percepisce un segnale sonoro ferma i motori e si arresta. Progetto n 2 - cammina e si ferma quando si avvicina ad un ostacolo Alpha Rex cammina e reagisce ad un comando di distanza (sensore ultrasuoni). Al primo comando sonoro l ALPHA REX si mette a camminare Quando il robot si avvicina ad un ostacolo a distanza inferiore a 30 cm il sensore ultrasuoni blocca i motori delle gambe dell umanoide 6

9 Progetto n 3 - cammina e si ferma quando tocca un ostacolo Alpha Rex cammina e reagisce ad un comando del sensore touch. Al primo comando sonoro l ALPHA REX si mette a camminare Quando il robot tocca un ostacolo il sensore Touch blocca i motori delle gambe dell umanoide 7

10 Explorer Explorer Explorer è un robot dotato di due ruote ed adatto al movimento, anche se i suoi numerosi slot dove collocare i sensori permettono anche moltissimi tipi di esperimenti. Come lo abbiamo costruito Explorer è stato da noi costruito usando le istruzioni di montaggio disponibili nel sito applicando delle modifiche alla destra e alla sinistra del sensore ad ultrasuoni, aggiungendo degli spazi dove poter collocare altri due sensori. Cosa fa Explorer 1. NXT magnetico usando il sensore magnetico, Explorer trova una pallina contenente una calamita nascosta sotto un bicchiere (programma NXT magnetico); 2. Explorer segue un percorso disegnato sulla superficie di camminamento (programma segui la linea); 8

11 3. Explorer cammina e va verso chi lo chiama (programma trova la sorgente); 4. Explorer segue una sorgente sonore (programma segue la voce). Sensori utilizzati sensore tattile (touch) sensore ultrasuoni (meter) sensore luce (light) n 3 servomotori Progetto n 1 - NXT magnetico Explorer, in questo progetto, riesce a trovare una pallina magnetica nascosta da uno studente sotto un bicchiere. Il progetto vuole ingannare l osservatore facendogli credere che Explorer vede sotto il bicchiere, mentre nella realtà il sensore magnetico percepisce un aumento del campo magnetico individuando la posizione della pallina. Al segnale sonoro Explorer avanza a fianco del primo bicchiere il sensore magnetico registra il campo magnetico e se sente una variazione significativa ruota il robot e abbatte il porta bicchiere altrimenti prosegue verso il successivo bicchiere 9

12 Progetto n 2 Percorso disegnato In questo secondo progetto, Explorer utilizza il sensore di luce per muoversi seguendo un percorso tracciato sul camminamento. Explorer si muove seguendo la linea tracciata sul camminamento. Il sensore di luce controlla il movimento del motore di destra e quello di sinistra permettendo a Explorer di seguire la linea scura Progetto n 3 Trova una sorgente sonora Explorer in questo progetto utilizza due dei sensori di cui è dotato: il sensore sonoro e quello ad ultrasuoni. Il robot cammina in modo casuale ma quando sente un suono si dirige verso la sorgente e si ferma davanti ad essa. Explorer si muove casualmente e quando sente un segnale sonoro il sensore blocca i motori aziona la rotazione in modo da trovare la sorgente sonora, ferma la rotazione e inizia a muoversi verso la sorgente il sensore ad ultrasuoni ferma il robot davanti alla sorgente Progetto n 4 Segue una sorgente sonora In questo progetto Explorer segue una sorgente sonora in movimento. Explorer si muove casualmente, quando sente un segnale sonoro il sensore blocca i motori aziona la rotazione in modo da trovare la sorgente sonora ferma la rotazione e inizia a muoversi verso la sorgente. Explorer ripete la procedura in modo da seguire la sorgente 10

13 Zyker Zyker Zyker è un robot dotato di due ruote in grado di svolgere due funzioni differenti tra loro. Infatti, può essere comandato un joystick oppure programmato come per gli altri progetti. Come lo abbiamo costruito Zyker è stato da noi realizzato usando le istruzioni di montaggio disponibili nel sito In aggiunta abbiamo dotato il robot di un sensore ultrasuoni e di un sensore di luce. Cosa fa Zyker 1. Zyker si muove e cerca la pallina di colore rosso (programma pallina rossa); 2. Zyker viene comandato da un joystick ed è in grado di avanzare, ruotare ed afferrare una pallina (programma Claw control). 11

14 Sensori utilizzati sensore tattile (touch) sensore ultrasuoni (meter) n 2 sensori luce (light) n 3 servomotori Progetto n 1 Trova una pallina colorata e la afferra Il robot si muove e seleziona la pallina di colore rosso afferrandola. Zyker avanza e si ferma davanti alla prima pallina grazie al sensore a ultrasuoni il sensore di luce registra il colore: se la pallina è rossa il robot afferra la pallina altrimenti si dirige verso l altra e la afferra. Progetto n 2 Robot a filo-conduzione Zyker viene comandato da un joystick che ne permette il movimento in avanti (tasto touch pressione lunga) la rotazione rapida verso destra (tasto sinistra) e la rotazione fine verso sinistra (tasto destra) la chiusura del maglio (tasto touch pressione breve). Zyker comandato dal joystick si muove in tutte le direzioni quando trova la pallina lo afferra 12

15 Conclusioni Questo progetto ha permesso di avvicinarci al mondo della programmazione di componenti robotici in modo coinvolgente. L utilizzo del software LEGO, veramente semplice nella struttura, ha reso molto intuitiva la programmazione dei prototipi realizzati. Alcuni robot costruiti durante le lezioni sono stati da noi utilizzati anche in contesti diversi da quelli presentati nel presente concorso. Ad esempio abbiamo realizzato un esperimento per misurare l intensità luminosa di una sorgente al variare della distanza dal sensore (collocato su un robot simile a EXPLORER). I risultati sono visibili sul sito Bibliografia e Sitografia Manuale di istruzione del software LEGO MINDSTORMS