Il mondo dei robot A. S 2 0 1 0-2 0 1 1 C L. 5 D I t i s E n e a M a t t e i ( S O ) C o r s o : I n f o r m a t i c a Alessandro Negrini Rapida anteprima sul mondo dei robot, dalla loro nascita al loro sviluppo e al loro impiego nella società contemporanea.
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) Premessa 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. 1
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. 2
Alessandro Negrini Sommario 1. Che cos è la robotica 4 1.1 Origine del termine robot 5 1.2 Cosa sono i robot? 5 1.3 Breve storia dei robot 6 9 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 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 3
2. Etica e robot 14 15 2.1 Campi di applicazione 2.2 I robot industriali 16 2.3 I robot militari 17 2.3.1 I robot a Fukushima 18 2.5 I robot e le competizioni 22 2.4 I robot in medicina 19 3. Approfondimento : il manipolatore 23 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 4
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 ITIS 30 Il mondo dei robot 1. Che 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. 5
1.1 Origine del termine 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 6
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? 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: capacità di elaborazione che il progettista può combinare come desidera; Mobilità: possibilità di interagire fisicamente con l ambiente; Flessibilità: capacità di esibire un comportamento adatto alla situazione; Autonomia: possibilità di svolgere le proprie funzioni senza ingerenze o condizionamenti da parte di altri membri. 7
Sensore: dispositivo che trasforma una grandezza fisica che si vuole misurare, in un segnale di natura diversa (tipicamente elettrico) più facilmente misurabile o memorizzabile. Attuatore: 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 Breve 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 8
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 9
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 giocatore a scacchi di Maelzel 1.3.1 Curiosità: il 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 10
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 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 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. 1.3.3 I robot di seconda generazione 11
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. 1.3.4 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 12
1.3.5 I robot di quarta generazione I robot della quarta generazione sono considerati i robot del futuro. Questi robot sono chiamati androidi o umanoidi, 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 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. 13
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 interiore della psiche, è quello virtuale delle tecnologie informatiche e di 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 Isaac 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. 14
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 writings 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. 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. 15
1.4.3 First 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." 16
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 hotfooted it for Base and the storms really broke next day. Emma Two returned two 17
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. Etica 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? 18
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 uomorobot 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 19
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 applicazione La scienza robotica, proprio in virtù della sua natura interdisciplinare, trova applicazioni in molteplici contesti e questo ha fatto sì che nascessero varie sottodiscipline fra le quali però raramente esiste una netta linea di demarcazione. 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 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: 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: 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: il campo industriale è sicuramente quello in cui i robot hanno trovato maggiore diffusione: il loro impiego nelle catene di 20
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; Robotica 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: 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: 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 industriali 21
L automazione industriale è l insieme delle tecnologie rivolte ad utilizzare sistemi meccanici, elettronici, informatici per il controllo e la produzione nell industria, in modo da sostituire l operatore umano, non solo per l esecuzione materiale delle operazione, ma anche per l elaborazione intelligente delle informazioni. L automazione industriale si divide in automazione rigida, impiegata per elevatissimi ritmi di produzione e caratterizzata da una scarsa o nulla possibilità di riprogrammazione, automazione programmabile, rappresentata da piccoli e medi volumi di produzione e possibilità di riprogrammazione, automazione flessibile che comprende macchinari che possono essere utilizzati in diverse lavorazioni con modesti cambiamenti. Il robot industriale si compone di una struttura meccanica con attuatori e sensori e un unità di governo. Esempi di impiego della robotica industriale: Da: Introduzione alla Robotica industriale Politecnico di Milano 22
2.3 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 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 23
Drone: 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: 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 Fukushima 24
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 robot in medicina Per chirurgiche. chirurgia robotica s intende una serie di macchinari che attualmente sono sviluppati per supportare una vasta gamma di procedure 25
I robot impiegati in ambito medico si distinguono principalmente in tre categorie principali: tecnologie 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 : Protesi: FES (Functional Electro-Stimulation) Stimulation): Aiuti per la mobilità/manipolabilità: 26
Assistenza remota: 27
robotica chirurgica: utilizzata per esempio nelle sale operatorie o per la diagnosi; 28
robotica riabilitativa: robot e strumenti meccatronici per la riabilitazione neuromotoria; 29
2.5 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 war è una gara in cui lo scopo è la distruzione dell'avversario; minisumo 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; explorer dove in un labirinto il robot deve trovare delle fonti di suono, luce e gas; line follower seguire una linea sembra facile, ma la velocità è tutto; R.T.C. Robo 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, 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. 30
3. Approfondimento: il braccio meccanico 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 meccanica che consiste in una serie di corpi rigidi ( bracci ) interconnessi tra loro per mezzo di articolazioni ( giunti ); nel manipolatore si individuano una struttura portante che ne assicura la mobilità, un polso, che conferisce destrezza e un organo terminale(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 ); attuatori che imprimono al manipolatore il movimento attraverso l azionamento dei giunti; solitamente si utilizzano motori elettrici, idraulici e talvolta pneumatici; sensori che misurano lo stato del manipolatore ( sensori propriocettivi ) ed eventualmente lo stato dell ambiente ( sensori eterocettivi ); una unità 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 31
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 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 movimento: 32
3.1.1 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 33
3.1.2 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 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 34
3.1.4 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 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 35
3.1.5 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 controllo 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 : 36
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 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). PROGRAM pezzo VAR riposo, trasp, tavola, scarto : POSITION BEING CYCLE MOVE TO riposo OPEN HAND 1 WAIT FOR $DIN(1)=ON //aspetta finchè il trasportatore è pronto MOVE TO trasp CLOSE HAND 1 IF $DIN(2)=OFF THEN //se il pezzo è buono MOVE TO tavola ELSE MOVE TO scarico ENDIF OPEN HAND 1 //depone il pezzo su tavolo o nello scarico END pezzo 37
3.3 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 industriale, la cinematica studia la relazione tra le posizioni dei giunti e le posizioni oni e l orientamento dell organo terminale, chiamato anche end effector. 3.3.1.1 La cinematica diretta Il problema cinematico diretto consiste nel determinare la posizione e l orientamento dell end effector del manipolatore (indicato con x), a partire dalle coordinate di giunto q. Quindi dobbiamo trovare una funzione che metta in relazione x e q: Esempio: 38
* * trigonometria * proprietà 3.3.2.2 La cinematica inversa Il problema cinematico inverso consiste nel determinare le coordinate di giunto q corrispondenti a una data posizione e a un dato orientamento dell end effector (x) 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 operazioni Cinematica differenziale: studia il legame tra le velocità dei giunti e la velocità dell organo terminale. Il legame è espresso da una matrice, detta Jacobiano del manipolatore. 39
Statica : esprime il legame tra un vettore di forze F applicate all end effector e il corrispondente vettore di coppie generalizzate τ che tiene in equilibrio il sistema. 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. Robarman: 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. 40
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 Arduino, che trasforma i segnali che gli arrivano dal computer in segnali elettrici che vanno direttamente al circuito azionando adeguatamente i vari servomotori. 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: 41
Il software 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 sistema. varie modalità di utilizzo del Stop registrazione: Start registrazione: ferma la il braccio memorizza memorizzazione la sequenza di Il mondo dei robot. Gestione braccio delle mosse robotica tramite mosse PC e Arduino 42
Modalita di gestione locale: 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. Modalità di gestione remota: Client nt: è colui che decide le mosse da far comandi fare al braccio, aiutandosi anche con la webcam e una videochiamata Skype con il server. Server: è colui che ricevendo i dal client deve trasferirli all Arduino per far muovere i servomotori in maniera adeguata 43
Modalità 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 di Arduino è un'applicazione multipiattaforma scritta in Java, ed è derivata dall'ide creato per il linguaggio di programmazione Processing. 44