Istruzioni per il lavoro d’anno del corso di
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Robotica ed azionamenti meccanici – Prof. A.Tasora
“Dispositivo automatizzato con controllo digitale embedded”
Introduzione
Questo documento contiene istruzioni relative allo svolgimento del lavoro d’anno per i corsi di Robotica ed
Azionamenti Meccanici (Prof. A.Tasora)
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L’attività si svolge in gruppi di tre/quattro persone.
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Lo svolgimento del lavoro d’anno non è obbligatorio, e non configura condizione necessaria al superamento
dell’esame. Tuttavia lo svolgimento è consigliato, dato che lo svolgimento dell’attività comporta un
incremento di circa tre/quattro punti sul voto dell’esame.
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L’attività, di carattere sperimentale, va svolta in autonomia dagli studenti dei vari gruppi, a casa o presso
l’ateneo. Eventuali dubbî e problemi verranno discussi con i docenti durante le ore di lezione o durante gli
orari di ricevimento.
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Non è previsto un punteggio e non è prevista una data per il completamento del progetto; è sufficiente che gli
studenti presentino al professore il progetto (funzionante) in data da convenirsi, prima dello svolgimento
dell’esame. Nota, tutti i componenti del gruppo devono essere presenti alla presentazione del progetto.
Tema
Nel corso dell’attività, gli studenti dovranno costruire un dispositivo automatizzato dotato di controllo digitale.
Si lascia completa libertà di scelta agli studenti sul tipo di realizzazione: ad esempio un robot aspirapolvere, una
macchina contamonete, un modello in scala di robot industriale, etc.
Comunque, devono necessariamente essere presenti le seguenti caratteristiche:
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presenza di almeno un grado di libertà motorizzato;
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presenza di un controllore digitale (da un semplice PIC-micro ad un PC);
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funzionamento in bassa tensione (per sicurezza), con trasformatore o batterie;
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basso costo (indicativamente il progetto non dovrebbe superare i 200E come spesa complessiva, dato che
dev’essere autofinanziato dagli studenti)
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ingombri modesti (il dispositivo dev’essere facilmente trasportabile)
Visti i vincoli sul budget -che dovrebbe essere confrontabile, all’incirca, con l’acquisto di libri di testo universitari- non
è plausibile impiegare motori brushless per automazione industriale; allo stesso modo non sarà possibile utilizzare
costosi componenti industriali quali riduttori di precisione, viti a ricircolo, guide a ricircolazione di sfere, etc. Ciò è
limita la scelta di possibili ‘robot’ autocostruiti perlopiù a due categorie che per ovvî motivi non richiedono elevate
coppie, potenze o precisioni:
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dispositivi che per loro natura non richiedono potenze e/o precisioni elevate. Esempi appartenenti a questa
categoria: un sistema per il puntamento di faretti per palcoscenico, un sistema per la rotazione di una
telecamera da videsorveglianza, dei giocattoli robotizzati, piccoli robot mobili per pulizia della casa, domotica,
etc.;
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modelli in scala ridotta di robot ‘seri’. Si assume che il dispositivo assemblato dagli studenti rappresenti uno
studio di fattibilità di robot altrimenti più costosi e precisi. Esempi di questa categoria: modello in scala di
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robot industriale per verniciatura, studi e proposte per nuovi tipi di robot per packaging, prototipi di protesi per
gomito o spalla, dimostrazione di nuove idee per robot mobili industriali, dimostrativi di sistemi per gestione
di magazzini, etc.
Scadenze
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Entro il 13 Marzo: comunicare al professore Tasora le composizioni dei gruppi.
Entro il 20 Marzo: ogni gruppo presenterà una lista di almeno tre possibili progetti o idee (tre titoli con
quattro/cinque righe di descrizione per ognuno). Insieme al professore, a lezione, si discuterà quale sia il più
interessante, sul quale il gruppo lavorerà da qui in avanti.
Entro il 27 Marzo: ogni gruppo presenterà uno schema di massima (disegni, anche a mano libera, ed elenco
preliminare di parti necessarie) per il progetto prescelto.
Entro la fine del corso: ogni gruppo comunicherà la data della presentazione del progetto ai professori.
Suggerimenti per il reperimento di componenti
COMPONENTI ELETTRONICI
La maggior parte dei componenti elettronici può essere acquistata presso siti di vendita per corrispondenza di parti per
robotica hobbistica, ad esempio:
http://www.robot-italy.it
http://www.robot-domestici.it
Fra i componenti elettronici più utili, segnaliamo:
- una breadbord con relativo set di cavetti per breadbord,
- alimentatore a 5V o 9V o 12V o 24V,
- regolatori di tensione a 5V,
- un kit con resistenze, condensatori (dei valori più usati), led colorati,
- stagno, saldatore, pasta, siringa per dissaldare (eventualmente condividere fra più gruppi),
- multimetro tester (eventualmente condividere fra più gruppi, ve ne sono in commercio da 15Euro),
- cavi, connettori, morsetti a vite, strip maschio/femmina, minuteria varia,
- scheda millefori per realizzare la versione definitiva dei circuiti, dopo i test su breadbord,
- cavo flat colorato a 6 o 8 o più poli (anche da separare, per fare collegamenti, es. su millefori)
Componenti elettronici più rari o sofisticati (e costosi) si trovano presso le grandi catene di distribuzione di componenti,
particolarmente fornite sono:
http://www.farnell.com
http://www.rs-components.it
http://www.distrelec.com
Volendo produrre disegni precisi della parte elettronica, si consiglia l’impiego di un CAD per PCB. Una soluzione
gratis e di facile impiego è KiCAD.
CONTROLLORE
Fra le infinite possibilità per eseguire un controllo a basso costo di un piccolo dispositivo automatizzato, citiamo le due
seguenti opzioni:
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scheda Arduino UNO, o cloni. Si tratta di un controllore a 8 bit, con modesta memoria per istruzioni e dati,
che costa circa 20 Euro e che viene venduto già montato su una scheda dotata di funzioni che ne rendono
molto facile l’uso. La programmazione della scheda Arduino richiede solamente
o un cavo USB
o l’installazione del compilatore/terminale sul proprio PC. Scaricabile gratis da http://www.arduino.cc ;
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microcontrollori PIC micro. Sono prodotti dalla Microchip, e sono venduti presso i siti di componenti oppure
(per i modelli meno frequenti) direttamente dal sito http://www.microchip.com . Il costo è particolarmente
modesto: dai 3 Euro ai 10 Euro per chip. Non possono essere collegati direttamente al PC, diversamente dalla
scheda Arduino, pertanto è necessario dotarsi di:
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o
breadbord o millefori per inserire il chip (nota: prendere i PIC con package DIP con passo da 2.54
mm)
o programmatore di PIC. Es.: l’economico clone PIC-KIT3 della Olimex è tutto ciò che serve (il cavo
incluso fornisce anche l’alimentazione al PIC, per progetti molto semplici). Si vende per esempio su
http://www.robot-italy.it ,
o installazione del compilatore (MPLAB X IDE, con linguaggio C) sul proprio PC. Scaricabile gratis da
http://www.microchip.com ,
Nota: l’oscillatore al quarzo, da collegare ai piedini per il clock, è opzionale in molti PIC che possono
funzionare anche con clock interno.
Rispetto ad Arduino, la maggiore complicazione dei PIC, dovuta alla necessità di inserirlo su breadbord e di collegare il
programmatore, si ripaga con il fatto che esistono numerosissimi modelli di controllori PIC, alcuni con prestazioni
molto avanzate. Ad esempio il modello 18F2431 contiene un contatore di passi encoder (che non è presente in
Arduino), oppure i modelli dsp32 hanno potenza di calcolo molto elevata. La scelta dipende dagli studenti.
Si rammenta infine che esistono altre interessanti possibilità, ad esempio le schede BeagleBoard
(http://beagleboard.org/ ) e FoxBoard (http://www.acmesystems.it/ ) o Raspberry forniscono prestazioni più simili a
quelle di un computer, essendo dotate di molta più memoria e di un vero sistema operativo (Linux), tuttavia il loro uso
per applicazioni di automazione va riservato agli studenti più motivati ed esperti.
MOTORI
Si segnalano le principali alternative per quanto riguarda i progetti low-cost.
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Motori stepper. Sono motori facilmente controllabili da qualsiasi controllore. Non si possono collegare
direttamente al controllore, ma è necessario interporre uno stadio di potenza (facilmente acquistabile come
piccole schede o meglio in forma di integrato, presso i rivenditori di componenti). Non avendo retroazione,
sono adatti ad applicazioni nelle quali non ci sia il rischio di ‘perdere il passo’, ovvero quando vi siano coppie
resistenti modeste e prevedibili. Esempio: rotazione telecamera per telesorveglianza. Prezzi: 15E-40E.
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Motori DC. Di base non sono retroazionati e per questo vanno usati in applicazioni dove non vi sia controllo
preciso del movimento. Difficilmente i modelli economici sono dotati di encoder: ove ciò accada, si possono
retroazionare (posto che il controllore abbia un contatore di passi encoder). Richiedono sempre uno stadio di
potenza, in forma di ponte H, nel quale inviare un segnale PWM dal controllore. Talvolta, pur nell’ambito lowcost, esistono modelli con riduttore integrato, in tal caso sono spesso chiamati motoriduttori. Esempio:
motorizzazione di ruote robot mobili (dove si può anche fare a meno di encoder). Prezzi: 15E-40E.
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Servocomandi, o ‘servo’. Con questa denominazione, in campo hobbistico, si indicano piccoli azionamenti
utilizzati per aeromodellismo. In un singolo servo si trovano integrati un motore DC, un riduttore, un semplice
sistema di retroazione basato in genere su un potenziometro, uno stadio di potenza e controllo. Il set point di
posizione (rotazione) viene dato dal controllore come segnale PWM. La precisione è modesta e la rotazione è
spesso limitata in +/-90°, ma semplificano notevolmente la costruzione di piccoli automatismi. Esempio:
movimento di prese d’aria e deflettori in condizionatori.
Si osservi che è possibile reperire piccoli motori (specialmente stepper) in vecchie stampanti.
SENSORI
I siti di robotica amatoriale forniscono un’ampia serie di sensori a basso costo. Se il progetto prevede dei sensori per
l’azzeramento degli assi, si suggerisce di utilizzare sensori ottici a forcella.
E’ difficile reperire encoder a basso costo, ove servissero; alcuni di questi sono prodotti dalla Avago.
PARTI PER IL TELAIO
Dato il livello amatoriale dei progetti da sviluppare, è raccomandabile che la costruzione del dispositivo avvenga
seguendo l’ottica dell’economicità e della semplicità, anche utilizzando parti di recupero. Per esempio, da vecchie
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stampanti è possibile recuperare guide lineari. É possibile realizzare parti in legno o plastica. Presso grossi centri di
bricolage (Brico, LeroyMerlin, etc.) si possono trovare profilati di alluminio, ottone, acciaio, con sezione tonda,
rettangolare e quadra. Si eviti l’impiego di saldature, si preferiscano viti o incollaggi. Eventuali cuscinetti a sfera
potrebbero essere di difficile reperibilità o di costo non trascurabile, pertanto si pensi all’uso di boccole (es. IGUS). Se
necessarie, cinghie sincrone e pulegge si possono trovare fra materiale di recupero o si possono acquistare presso
http://www.rs-instruments.it .
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