Robot

Dai “robot” ludici a quelli industriali e il loro ruolo nella società consumistica, dal post-guerra a oggi

Federico Scimone

Di V B

Classe: Informatica

Indirizzo: 2007/2008

Anno scolastico:

Sommario

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Introduzione.................................................................................................................... 3

MiniRobot 2008............................................................................................................... 5

Il campo da gioco........................................................................................................... 6

La nostra soluzione......................................................................................................... 7

Lego Mindstorms............................................................................................................ 8

Programmare l’NXT......................................................................................................... 9

Programmazione concorrente....................................................................................... 10

Multi-thread.................................................................................................................. 11

Il Bluetooth................................................................................................................... 14

Cut The Cables!............................................................................................................ 21

Trasmissione seriale..................................................................................................... 22

Standard di interfaccia seriale RS 232-C......................................................................24

Robot industriali............................................................................................................ 29

La società del benessere.............................................................................................. 31

… In Italia..................................................................................................................... 35

Eugenio Montale........................................................................................................... 38

È ancora possibile la poesia? 40

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Le tecnologie necessarie

Introduzione

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Automa, operatore automatico meccanico controllato da un cervello elettronico, con particolare riferimento agli apparecchi programmabili usati in alcuni settori dell’industria e della ricerca scientifica per sostituire l’uomo in attività manuali faticose, pericolose o troppo costose dal punto di vista del profitto. Così è com’è definito un robot dai dizionari: una macchina in grado di sostituire l’uomo. È davvero corretto però che l’uomo trovi un sostituto per l’attività che più delle altre lo rende “umano”, ovvero il lavoro?

L’interesse della scienza per tutto ciò che è inerente alla robotica è elevato per diversi motivi. La robotica, branca dell’ingegneria, è una scienza che abbraccia molte discipline scientifiche, tra cui: automazione, elettronica, fisica, informatica, matematica, meccanica, ma anche umanistiche come biologia, fisiologia, linguistica e psicologia. Inoltre l’uomo è sempre stato affascinato dall’idea di una macchina simile all’uomo come nel caso dei cosiddetti “androidi”, una parola che deriva dal greco e significa “simile all’uomo”, poiché sono costruiti con materiali simili ai tessuti umani e possiedono qualche forma di pensiero cosciente o persino capacità emotiva.

Bisogna però stare attenti a non cadere in visioni fantascientifiche di questi robot come spesso siamo portati a fare da una serie illimitata di produzioni cinematografiche che stuzzicano fin dal lontano 1897, data del primo film in cui si parla di robot – Gugusse et l’automation, la fantasia delle persone.

Ai nostri giorni la parola “robot” è identificabile nell’ambito dell’industria moderna che, attraverso l’uso di queste particolari macchine, è riuscita a ridurre il tempo e le difficoltà fisiche per la creazione di tutti quei beni che per l’uomo odierno sono indispensabili: automobili, lavatrici, frigoriferi e tutti gli elettrodomestici e le comodità che ci circondano.

Sull’utilità di questi prodotti ormai è difficile dubitare, ma bisogna analizzare attentamente sia gli aspetti positivi senza tralasciare quelli negativi, che sono riscontrabili nella storia dai non troppo lontani anni ’50, gli anni che sono caratterizzati dalla ricostruzione post bellica.

La voglia di approfondire questo tema è nata dalla partecipazione al progetto MiniRobot 2008 che si è svolto durante l’anno scolastico. Il MiniRobot è una competizione organizzata dalla residenza universitaria Alcantara di Catania in collaborazione con il DIEES, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Elettronica e dei Sistemi, “che mira a suscitare e sviluppare l’interesse del grande pubblico verso la robotica e avvicinare i giovani al mondo della scienza e della tecnologia”.

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MiniRobot 2008

MiniRobot2008 è un’amichevole opportunità per mettere in luce nuove soluzioni tecnologiche ed è un’occasione per scambiarsi idee, conoscenze, suggerimenti e soluzioni attorno ad una competizione comune. La creatività è messa in gioco e l’interdisciplinarietà è indispensabile.

Questa iniziativa è rivolta a studenti di scuola secondaria superiore e ormai attira un elevatissimo numero di giovani partecipanti ormai da quattro anni. Ogni squadra è chiamata a competere con un robot, costruito sfruttando il contenuto dei Kit di montaggio Lego, che realizzi le operazioni previste dal regolamento. L’obiettivo di quest’anno era di realizzare robot che siano in grado di orientarsi in un labirinto e ritrovare dei libri da differenziare per colore. Per portare a compimento tale missione i robot, di grandezza massima consentita 30x30x30 cm, dovevano essere in grado di:

• Superare ostacoli lungo il percorso;
• Riconoscere oggetti in base alla loro posizione;
• Riconoscere oggetti in base alle loro caratteristiche;
• Raccogliere oggetti, classificarli e collocarli, in relazione alle caratteristiche dell’oggetto stesso.

I robot dovevano raccogliere dei libri di colori e dimensioni diverse superando un labirinto che li separa da loro. Una volta raccolti i libri devono depositarli sulla “scrivania” del rispettivo colore, il tutto entro il tempo massimo di 180 secondi. Ogni squadra poteva progettare e costruire un solo robot e ogni membro poteva far parte di uno e un solo team. A ogni robot era associata una parte di campo e tutta la sua gara si svolge all’interno dello stesso. Il labirinto che i robot dovevano superare aveva tre possibili configurazioni degli ostacoli e prima di ogni gara veniva estratto a sorte la configurazione del campo di gioco.

La vittoria veniva decretata a fine di ogni singolo match calcolando chi aveva totalizzato il punteggio maggiore e i punti venivano assegnati secondo delle regole prestabilite. Per esempio: ogni libro posizionato sulla scrivania dello stesso colore attribuiva 4 punti o 2 nel caso in cui

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arrivava a passare soltanto la linea di arrivo nella zona delle scrivanie ecc..

Essendo un lavoro composito, la realizzazione della soluzione finale e quindi di un robot in grado di soddisfare le richieste del regolamento andava organizzato in fasi, dalla strategia, alla realizzazione fisica del robot fino alla programmazione. E cosa molto importante, essendo un lavoro in team il progetto andava suddiviso per compito a ogni membro della squadra.

Il campo da gioco

Questa è la forma del campo da gioco della competizione, realizzata in legno. Le due parti, quella a destra e quella sinistra, sono separate da un bordo ed ognuna è destinata a un singolo robot che doveva svolgere la sua “missione” esclusivamente all’interno della parte assegnata.

L’unica parte che poteva cambiare era quella centrale degli ostacoli, colorati in verde, che veniva scelta a inizio gara secondo tre possibili combinazioni. Le altre due parti rimanevano immutate per tutte

Libri:

Quello grande formato da un parallelepipedo interno, che rappresenta i fogli di un libro, ha le dimensioni 10 x 7 x 3 cm con uno strato di compensato per realizzare la copertina. Quello piccolo ha le dimensioni 8 x 6 x 3 cm. Potevano essere di due colori: rossi o blu.

Ostacoli:

Tali oggetti erano realizzati in legno e di colore marrone, e dimensioni 4 x 30 x 10 cm, il cui ultimo valore indica l’altezza. 6

Scrivanie

Queste erano sempre realizzate in legno, dipinte in colore rosso o blu con le dimensioni 7 x 25 x 15 cm.

La nostra soluzione

La strategia da noi formulata prevedeva la costruzione di un robot in grado di: orientarsi all’interno dei tre labirinti, afferrare un libro, portarlo indietro e alzarlo in prossimità della scrivania per collocarlo sopra di essa.

Sensore di tattile,

Sensore di segnala il movimento e momento in cui la distanza ad pinza arriva all’altezza

Motore che permette

Pinza, per afferrare i libri, azionata da due motori collegati in parallelo

tramite un sistema a puleggia di far salire e scendere la pinza

Uno dei due motori per le ruote motrici

Il “cervello”: è il mattoncino programmabile che gestisce i motori e i sensori del robot attraverso tre porte di uscita per i motori e 4 per i sensori.

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Inoltre tra le due ruote motrici si trova un sensore di luminosità, puntato verso il piano del campo da gioco, in grado di riconoscere il passaggio sulle linee nere del campo che delimitavano le sue tre parti: partenza con scrivanie, labirinto con ostacoli, arrivo con i libri da portare indietro.

Lego Mindstorms

Lego Mindstorms è una linea di prodotti LEGO che combinano mattoncini programmabili con motori elettrici, sensori, mattoncini LEGO, pezzi di LEGO Technic, come ingranaggi, assi e parti pneumatiche, per costruire robot e altri sistemi automatici e/o interattivi.

È stato distribuito commercialmente come “RIS”, Robotic Invention System - “Sistema di Invenzione Robotico”. È stato anche venduto ed utilizzato come sistema educativo, originalmente attraverso una partnership con il MIT.

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LEGO Mindstorms può essere usato per costruire un modello di sistema integrato con parti elettromeccaniche controllate da computer. In pratica tutti i tipi di sistemi integrati elettromeccanici esistenti nella vita reale, come gli elevatori o i robot industriali, possono essere modellati con i Mindstorms.

C’è una grande e ben sviluppata comunità di professionisti e amatori di ogni età coinvolti nella condivisione di progetti, tecniche di programmazione e altre idee riguardanti LEGO Mindstorms.

L’RCX Originale dei Mindstorms è stato rilasciato nel 1998. Nel 2006 LEGO è stato immesso sul mercato un sistema di nuova generazione chiamato NXT, centrato su di un nuovo mattoncino programmabile. Il LEGO Mindstorms NXT è Open Source.

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Il nuovo prodotto Mindstorms è l’NXT, che è stato rilasciato ad agosto 2006. Il kit comprende tre servomotori, un sensore tattile, un sensore luminoso, un nuovo sensore sonoro, un sensore di prossimità, a ultrasuoni, e un nuovo mattoncino intelligente NXT.

Il mattoncino intelligente NXT ha un processore a 32 bit a 48 MHz, con 256k flash memory e 64k RAM, un coprocessore 8 bit a 8 MHz, con 4k

1 Massachusetts Institute of Technology: una delle più importanti università di ricerca al mondo con sede a Cambridge.

2 Il software viene rilasciato con un tipo di licenza per la quale il codice sorgente è lasciato alla disponibilità degli sviluppatori 8

flash e 512 byte RAM uno schermo LCD con una risoluzione di 60x100 pixel, una porta USB 2.0 e connettività Bluetooth. Il Mindstorms NXT possiede quattro porte d’ingresso e tre di uscita, ma avendo delle connessioni digitali, sarà possibile aumentarne il numero con dei moduli esterni. I connettori non sono gli stessi del RCX e utilizzano porte simili a un connettore RJ-11. Integrato nel mattoncino c’è un altoparlante da 8 kHz.

Programmare l’NXT

Questi “mattoncini” NXT della Lego sono quindi i cervelli di tutte quelle creazioni possibili per il kit Mindstorms. Esso infatti dà la possibilità di memorizzare un software prima creato e compilato da una piattaforma sul PC e di eseguirlo ogni qual volta si vuole senza l’ausilio di un’apparecchiatura esterna quale il computer. Una volta avviato il programma sull’NXT, la nostra creatura eseguirà tutto ciò da noi “dettato” in modo autonomo.

Per lo sviluppo di questi programmi eseguibili dai nostri robot la Lego mette a disposizione un sistema di programmazione visuale basato sulla GUI LabVIEW, che permette tramite l’uso di blocchi, di azioni di azione o controllo, di indicare quali operazioni svolgere.

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Oltre questo tipo di programmazione che ha un approccio più ludico, esistono molti altri tipi di programmazione più professionali che sfruttano graphical user interface

3 L’interfaccia grafica, in inglese abbreviato GUI, è un paradigma di sviluppo che mira a consentire all’utente di interagire col computer manipolando graficamente degli oggetti, svincolandolo dall’obbligo di imparare una serie di comandi da impartire con la command line interface

tastiera come invece avviene con le interfacce testuali, CLI.

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le potenzialità di linguaggi noti come il C++, Java, Visual Basic, che danno la possibilità di avvicinarsi di più a quella che potrebbe essere la programmazione di un robot industriale. Proprio con un linguaggio testuale si ha la possibilità di sfruttare tutte le potenzialità offerte dall’NXT perché permette di gestire al meglio tutti i sensori ed avere un maggiore controllo sulle azioni del robot. Una tra le più importanti peculiarità di questo tipo di programmazione è la possibilità di suddividere il programma di unità di codice indipendenti. Stiamo parlando della programmazione concorrente che dà la possibilità di sfruttare un programma come un insieme di attività che vengono eseguite in parallelo con flussi di controllo separati.

Programmazione concorrente

In informatica la concorrenza è una caratteristica dei sistemi nei quali può verificarsi che un insieme di processi computazionali sia in esecuzione nello stesso istante. Tale sistema è appunto chiamato sistema a concorrenza o sistema concorrente. L’esecuzione parallela può condurre a interazione tra processi quando è coinvolta una risorsa condivisa.

Il concetto di concorrenza è contrapposto a quello di sequenzialità. In un sistema sequenziale i processi vengono eseguiti uno per volta e non si verifica alcuna forma di interazione tra essi durante l’esecuzione. In un sistema concorrente i processi interagiscono scambiando messaggi tra di loro. 10

P1 P2 P3 P4 P5

sequenzialità

P3 P6

Scambio

P1 P2 P8

P5

messaggi P7

P4

concorrenza

Si può parlare di concorrenza nel caso di:

• Parallelismo reale di esecuzione, nel caso di sistemi multiprocessore dove si possono eseguire parallelamente un numero di processi pari al numero di processori;
• Parallelismo virtuale di esecuzione, come nel caso del pipelining.

Multi-thread

Nel caso specifico della programmazione dell’NXT si parla di una tecnica di programmazione multi-thread che permette di avere più flussi di esecuzione contemporanei di uno stesso programma, in esecuzione su CPU differenti o sulla stessa.

(thread)

In pratica, i threads sono processi dotati di un proprio stack, ma che possono condividere variabili globali, essendo stati collegati nell’ambito della stessa operazione di linking.

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4 Il Linking, collegamento, è il procedimento di integrazione dei vari moduli a cui un programma fa riferimento, i quali possono essere sottoprogrammi o librerie, per creare una

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Il multithreading permette di suddividere il lavoro a più processori in modo efficiente, ma introduce una notevole complessità che può essere spesso difficile da gestire. Il problema maggiore è la sincronizzazione tra i vari thread: spesso un thread ha bisogno dei risultati di un altro, oppure deve sovrascrivere i dati di un altro ma non prima di un dato momento.

I sistemi operativi moderni permettono l’esecuzione contemporanea, quasi!!, di più applicazioni e per questo vengono detti Multitask. Una applicazione può quindi essere eseguita contemporaneamente ad un’altra, per esempio quando navighiamo su internet e contemporaneamente controlliamo la posta, oppure ricerchiamo un file sul disco. Durante la sua esecuzione, una applicazione deve bloccare completamente l’esecuzione quando aspetta che terminino processi lenti come l’accesso ai dischi o la comunicazione con altri computer.