Armatronick - Progetto di un braccio robotizzato

A.S.

2008/2009

Armatronick

Progetto di un braccio robotizzato

Andrea Aglietti

I.T.I.S. Leonardo da Vinci Firenze

A.S. 2008/2009

Andrea Aglietti V ETE A.S. 2008/2009

I.T.I.S. Leonardo da Vinci - Firenze

Sommario

Introduzione ......................................................................................................................................... 5

Meccanica ............................................................................................................................................ 5

L’idea iniziale ........................................................................................................................... 5

Reperimento materiali ............................................................................................................ 6

Il passaggio dal primo prototipo al modello finale ................................................................ 6

La pinza ......................................................................................................................... 7

Il contrappeso .............................................................................................................. 8

La base .......................................................................................................................... 9

Elettronica .......................................................................................................................................... 10

Prefazione .............................................................................................................................. 10

Introduzione al funzionamento del sistema ......................................................................... 10

Alimentazione ........................................................................................................................ 11

Scheda controllo sensori ........................................................................................................ 13

Sensore di prossimità ................................................................................................ 13

Barriera infrarossa ..................................................................................................... 14

Microswitch sensore di contatto............................................................................... 14

Il timer 555 ................................................................................................................. 15

Funzionamento nella configurazione astabile .............................................. 15

I ricevitori ................................................................................................................... 17

Ricevitori per barriera infrarossa con tone decoder NE567 ......................... 18

Ricevitori per sensore di prossimità a operazionali ..................................... 19

2 Andrea Aglietti V ETE A.S. 2008/2009

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Descrizione dettagliata dei blocchi del ricevitore ............................. 20

Blocco 1 ................................................................................... 20

Blocco 2 ................................................................................... 20

Caratteristiche filtro passa banda .............................. 22

Blocco 3 ................................................................................... 24

Costante di tempo del rivelatore ............................... 24

Blocco 4 ................................................................................... 24

Caratteristiche filtro passa basso ............................... 26

Blocco 5 ................................................................................... 28

Blocco 6 ................................................................................... 28

Schede controllo motori ........................................................................................................ 29

I motori passo passo .................................................................................................. 29

Il motore DC della pinza ............................................................................................ 31

Scheda controllo motore DC .................................................................................................. 31

Scheda controllo motori passo passo ................................................................................... 32

Scheda demux motori ............................................................................................................ 34

Display LCD............................................................................................................................. 36

Tastiera PS/2 .......................................................................................................................... 39

Il protocollo PS/2 ....................................................................................................... 39

Scheda madre e seriale .......................................................................................................... 41

L’interfaccia seriale RS232 ......................................................................................... 41

Il protocollo start/stop .................................................................................. 43

Protocollo di trasmissione a più byte con controllo dell’errore .................. 44

Controllo dell’errore ...................................................................................... 44

3 Andrea Aglietti V ETE A.S. 2008/2009

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Il microcontrollore ..................................................................................................... 46

Informatica ........................................................................................................................................ 48

Compilatore MikroC e programmatore USB .............................................................................. 48

Il programmatore ....................................................................................................... 48

Il compilatore ............................................................................................................. 49

Programma di controllo remoto da PC ....................................................................................... 50

Il firmware ................................................................................................................................... 51

Modalità di reset ........................................................................................................ 51

Modalità automatica ................................................................................................. 51

Modalità controllo da PC ........................................................................................... 52

Modalità controllo da tastiera .................................................................................. 52

Modalità gestione errori............................................................................................ 53

Modalità spegnimento .............................................................................................. 53

II messaggi verso l’utente .......................................................................................... 54

Conclusioni e ringraziamenti ....................................................................................................... 55

4 Andrea Aglietti V ETE A.S. 2008/2009

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Introduzione

Il progetto nasce con l’idea di combinare meccanica, elettronica e informatica per costruire un automa in grado di emulare un braccio impiegato in un processo produttivo industriale, nel quale vengono scartati dei pezzi, che prelevati da esso sono collocati in un’altra locazione decisa dall’utente.

Questo punto di partenza è stato pian piano rimodellato procedendo per passi fino ad ottenere il prototipo finale; di seguito è riportata la descrizione del braccio allo stato attuale e di alcuni passaggi intermedi.

Meccanica

L’idea iniziale

Seguendo l’idea di partenza il progetto è partito pensando a un possibile processo produttivo strutturato in questo modo:

Una catena di montaggio in cui vengono costruiti pezzi in modo automatico; i pezzi sono movimentati da un nastro trasportatore che li fa scorrere attraverso le varie macchine utensili fino ad arrivare a un’unità di controllo in grado di determinare se il pezzo è a norma o occorrono ulteriori lavorazioni in quanto è stato rilevato un difetto di produzione.

L’unità di controllo in questione è costituita dal braccio che deve essere in grado di determinare la presenza di un pezzo anomalo sul nastro trasportatore e di prelevarlo spostandolo in un'altra locazione, per ovvi motivi la sua azione non potrà essere immediata per cui questo tipo di controllo può essere impiegato in catene di produzione relativamente lente (ad. es. un pezzo al minuto) per dare tempo all’automatismo di svolgere la sua funzione.

Sulla base di questo ipotetico processo il primo passo verso la realizzazione è stato quello di reperire i materiali e stabilire le modalità di simulazione: non sarebbe stato possibile realizzare l’intero sistema (nastro trasportatore e braccio), per cui si è deciso di realizzare il braccio integralmente ma di simulare la presenza di un nastro trasportatore con dei sensori fotosensibili (fotocellule) che rilevano un pezzo inserito dall’utente su un’apposita base. 5 Andrea Aglietti V ETE A.S. 2008/2009

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Il passo successivo all’impostazione generale del progetto è stata la realizzazione meccanica delle varie parti; essa ha richiesto un notevole sforzo in termini di tempo e di risoluzione dei problemi inizialmente non previsti; l’approccio alla costruzione è stato di tipo sperimentale senza aver realizzato preventivamente un progetto disegnato e senza l’ausilio di particolari macchine utensili in quanto il tutto è stato realizzato in casa, si è proceduto quindi per continui miglioramenti sulla base dell’esperienza via via accumulata fino ad arrivare al prototipo finale.

Reperimento materiali

Prima di poter iniziare la realizzazione si è dovuto reperire il materiale opportuno seguendo la filosofia del risparmio ovvero andando a cercare i vari pezzi in apparecchi in disuso o da rottamare; si sono utilizzati due motori passo passo ricavati da una vecchia stampante, una puleggia di una vecchia radio a valvole termoioniche (dove veniva usata per movimentare un condensatore variabile in aria per variare la frequenza di ricezione), il mozzo cuscinettato di una bicicletta e pezzi di alluminio provenienti da surplus industriale; le uniche parti che si sono dovute acquistare sono stati dei trafilati in alluminio, un motore con riduttore in corrente continua per la movimentazione della pinza e del compensato e altri pezzi di legno per la costruzione della base.

Utilizzando questi pezzi recuperati si è iniziato la costruzione di un primo prototipo dotato di una base in legno su cui era fissato il mozzo e sul quale si trovava una base in grado di ruotare, la base era movimentata da un motorino passo passo con una trasmissione a cinghia piana e su di essa era posta una torretta con il braccio vero e proprio infulcrato e in grado di ruotare verso l’alto e verso il basso tramite una puleggia, movimentata anch’essa, grazie a un motorino passo passo e una cinghia piana: la foto riportata di seguito rende molto meglio l’idea.

Questo primo “modello” è stato utilizzato per effettuare varie prove a livello elettronico ma è servito anche per avere una base meccanica su cui poter elaborare il modello finale con tutte le sue componenti aggiuntive.

Il passaggio dal primo prototipo al modello finale

Il modello finale si differenzia molto dal primo prototipo ma in linea di massima conserva lo stesso principio di funzionamento per quanto riguarda la rotazione della base e lo spostamento verso l’alto o verso il basso del braccio; le parti che sono state aggiunte e fanno ora parte del prototipo sono le seguenti:

La pinza

Essa ha la funzione di afferrare il pezzo e rilasciarlo al momento opportuno, anch’essa non è nata in modo definitivo ma ha subito un progressivo miglioramento; un primo modello è stata costruito secondo uno schema iniziale di prova per poi passare a quello riportato nella foto.

Il secondo modello (quello attuale) utilizza un motorino in corrente continua per movimentare i due bracci della pinza, essa infatti è dotata di due estensioni di alluminio infulcrate su di una base e imperniate come si vede nella foto a un supporto libero di scorrere sulla filettatura di una vite quando questa gira, la rotazione è innescata dal motorino che è collegato meccanicamente ad essa tramite un rapporto di riduzione a ingranaggi permettendo di avere una buona forza di presa.

Il contrappeso

La prima realizzazione era formata da un braccio in grado di ruotare verso il basso o verso l’alto infulcrato a circa metà della sua lunghezza, in realtà il braccio era ed è tuttora costituito da due trafilati posti uno sopra l’altro parallelamente e infulcrati allo stesso punto (la metà), utilizzando questo accorgimento si è riusciti a mantenere il piano della pinza parallelo al terreno indipendentemente dall’altezza del braccio da terra.

Sfruttando questa particolarità si è posto un contrappeso sulla parte opposta della leva per dar vita a un momento antagonista a quello dato dal peso della pinza per la lunghezza del braccio da essa al fulcro, esso è stato posizionato a una distanza molto minore dal fulcro rispetto alla pinza in modo da rendere la meccanica più compatta e meno antiestetica.

Dal lato tecnico questo accorgimento è servito a ridurre la forza necessaria al motore passo passo per sollevare la leva, essa si riduce, in condizione di equilibrio, alla sola forza di attrito tra le parti meccaniche in movimento; inoltre si ha una migliore distribuzione delle masse intorno all’asse di rotazione, utilizzare un contrappeso a una distanza considerevole dall’asse avrebbe comportato un aumento del momento dinamico di eccessivo valore.

Il momento dinamico è proporzionale al quadrato delle masse e alla distanza che esse presentano rispetto all’asse di rotazione ed esprime l’inerzia legata al sistema per cui è preferibile avere una bassa inerzia in quanto il motore passo passo che aziona la base facendola ruotare, imprime ad essa variazioni di velocità anche repentine che porterebbero a oscillazioni e a perdite del passo nel caso in cui il momento dinamico fosse particolarmente elevato. 7 Andrea Aglietti V ETE A.S. 2008/2009

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Il contrappeso è stato realizzato fondendo del piombo all’interno di una piccola bomboletta di alluminio e la sua massa non è stata calcolata ma è stata ricavata per tentativi fino ad ottenere il giusto valore tale che alla distanza scelta

Leva del primo tipo P = Pinza – R = Contrappeso dall’asse fosse in grado di equilibrare la leva; volendolo calcolare le formule relative alla leva sono riportate di seguito.

[1.0]

[1.1]

[1.2]

[1.3]

[1.4]

[1.5]

Come evidenziato dalle formule è possibile calcolare la massa del contrappeso necessaria a mantenere in equilibrio la leva conoscendo la distanza della pinza e del contrappeso dal fulcro.

La base

Un altro elemento che è stato drasticamente rivisto è la base su cui poggia l’intero meccanismo, inizialmente infatti era costituita da un semplice supporto di legno multistrato di spessore di circa 1 cm mentre nel modello finale è un vero e proprio supporto tridimensionale a tronco di piramide al cui interno trovano alloggiamento il mozzo per la rotazione, il motore che aziona la base e le varie parti elettriche ed elettroniche necessarie al funzionamento.

Tutta la meccanica è visibile nella seguente foto del prototipo finale del braccio, come si può notare dall’immagine non sono presenti soltanto parti prettamente meccaniche ma anche dispositivi elettronici e collegamenti; tutto ciò è descritto nella sezione elettronica del progetto riportata di seguito.

8 Andrea Aglietti V ETE A.S. 2008/2009

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9 Andrea Aglietti V ETE A.S. 2008/2009

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Elettronica

Prefazione

Anche l’elettronica è stata sviluppata procedendo per passi anche se per essa era stato impostato uno schema a blocchi generale di funzionamento sul quale si sono poi modellate le varie schede in funzione delle problematiche da risolvere incontrate via via nella realizzazione del progetto.

Come accennato nella sezione “meccanica” il braccio è dotato di una serie di dispositivi elettronici alloggiati su di esso per poter funzionare, tutto ciò si combina poi con una consolle di controllo sulla quale si trovano le schede elettroniche grazie alle quali è possibile gestire la meccanica del braccio; di seguito è illustrato il funzionamento di ogni scheda e sono riportate le caratteristiche dei componenti utilizzati per ciascuna di esse, è inoltre riportato uno schema generale e a blocchi delle unità che si trovano sulla consolle.

Schema a blocchi sistema

Introduzione al funzionamento del sistema

Come si può vedere dallo schema il sistema è strutturato a moduli e ogni scheda praticamente realizzata corrisponde a uno di essi, operando in questo modo il sistema può essere aggiornato in un secondo tempo con la possibilità di aggiungere altri moduli dato che ognuno di essi è realizzato su una scheda differente collegata alle altre tramite dei connettori di facile rimozione.