Dai primi robot ai Lego Mindstorms

IL ROBOT NXT

1 - DESCRIZIONE DEL PROGETTO

Il robot è stato pensato per:

compiere movimenti autonomi comandati da sensori di

 prossimità e di luminosità;

essere comandato a distanza attraverso un telecomando.



I movimenti del robot sono dati da 2 motori elettrici in CC che

possono girare in entrambi i sensi di rotazione a seconda del

movimento che deve fare. Tutto questo però è possibile solo grazie

alla programmazione del “cervello” del robot che a seconda di come

lo programmiamo, con l’apposito programma Lego Mindstorms NXT

2.0 Programming, riesce ad effettuare determinati movimenti.

2 - STRUTTURA DEL PROGETTO

La struttura del robot è completamente costruita grazie ai classici

pezzi Lego che si possono trovare nei negozi di giocheria, e questi

formano interamente il suo corpo. Il robot è basato su un “modello

car”: cioè su una rappresentazione di un’auto con diversi sensori

messi sia come abbellimento che come veri e propri trasduttori.

I trasduttori che abbiamo montato sono: un sensore tattile, un

sensore luminoso (capace di rilevare colori e intensità luminosa), un

sensore di prossimità (ad ultrasuoni) e un sensore audio (con

riconoscimento di tono e timbro).

Oltre i sensori il progetto è caratterizzato

da 3 servomotori che hanno al loro interno

un sensore di rotazione per misurare sia la

velocità che la distanza, che vengono

trasmessi al processore del NXT. 3

3 – MONTAGGIO

Il robot è stato montato fisicamente, come ho già detto, grazie ai

pezzi Lego e virtualmente con un apposito programma, Lego Digital

Designer, che è in grado, una volta completato il progetto, di creare

una guida con la spiegazione del montaggio.

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4 - PROGRAMMAZIONE

Il motore è impostato alla velocità iniziale di 80 che

possiamo variare grazie ai pulsanti di gestione da

20 a 100.

Abbiamo inserito il blocco “Reverse” di tipo logico

impostandolo con l’impostazione VERO quando è

selezionata la retromarcia, con l’impostazione

FALSO quando è impostato l’avanzamento in

avanti.

Il blocco “TargetSteer” invece è stato inserito per

guidare il terzo motore, cioè quello utile alla

sterzatura delle ruote, che può variare da -75 (a

sinistra) a 75 (a destra). Sterzatura comandata

grazie ad un altro motore presente nel

telecomando. Inizia naturalmente con angolo di

rotazione 0, cioè dritto.

Premendo uno dei pulsanti sul telecomando si invia

un messaggio Bluetooth al NXT ricevente, cioè

quello montato sul robot, e questo messaggio

viene ricevuto nella mailbox 2. Quando un

messaggio arriva in questa casella di posta indica

che riguarda i pulsanti adibiti per la variazione di

velocità e la variazione di verso. Fa passare cosi il

segnale in una “Number Switch” che elabora i tre

pulsanti come segue:

1 (freccia sinistra): Sottrae 20 alla Potenza, e

mantiene la velocità minima arrivati al valore 20;

2 (Invio): Cambia il verso di andamento

(retromarcia – avanti). Quando è impostato su False

si può notare sul display del NXT la scritta

“Reverse”, quando invece è impostata sul file

questa scritta scompare;

3 (freccia destra): Aggiunge 20 alla Potenza, e

mantiene la velocità massima arrivati al valore

100.

Se invece il messaggio Bluetooth viene ricevuto

dalla mailbox 1 significa che abbiamo usato i

pulsanti utili a far ruotare lo sterzo (siamo dunque

andati ad agire sul motore posizionato sul

telecomando impostato per questo scopo). Il 5

motore dello sterzo può variare da 75 gradi a -75 gradi quindi la rotazione non andrà oltre questi valori, e

questo è comandato dal blocco TargetSteer.

Se invece si invia un messaggio alla mailbox 3 si tratta di un messaggio

di tipo logico e ci dice che il sensore di contatto (Pulsante di accensione)

viene premuto. Se il messaggio è vero, invia la potenza selezionata e

aziona i due motori di azionamento, altrimenti li blocca.

Tutti i blocchi sono inseriti in una interazione in modo che il ciclo

si ripeti nel tempo.

I primi due blocchi stanno ad indicare l’invio dell’angolo di sterzo

dal sensore via Bluetooth alla Mailbox numero 1.

I secondi due blocchi invece stanno ad indicare che si è premuto il

tasto del Touch Sensor, cioè del pulsante di accensione, e questo

viene inviato sempre via Bluetooth alla Mailbox numero 3.

Gli altri blocchi invece vanno tutti ad inviare un segnale Bluetooth

alla Mailbox 2, cioè quella riguardante la variazione di velocità e

di andamento:

Se la freccia sinistra è premuta si sentirà un segnale acustico e il

NXT invierà un messaggio testo “1” alla Mailbox 2;

Se invece si preme il tasto ENTER il NXT invierà un messaggio

testo “2” alla Mailbox 2;

Al contrario se la freccia destra è premuta, dopo il segnale

acustico il NXT invierà un messaggio testo “3” alla Mailbox 2.

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Infine andiamo ad inserire un controllo di tempo in modo che non si inviano messaggi ad un

intervallo di tempo troppo breve causando cosi un sovraccarico di messaggi nel sistema:

l’abbiamo impostato a 0.05 secondi.

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 .

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.

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 flash e 512 byte RAM uno schermo LCD con una risoluzione

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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 da 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 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 da la possibilità di sfruttare un programma come

un insieme di attività che vengono eseguite in parallelo con flussi di

controllo separati. 9

Storia della robotica

Nel linguaggio comune, un robot è un'apparecchiatura artificiale

che 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.

Esistono molteplici tipi di robot utili ad ogni uso a seconda

dell’esigenza per cui è stato creato: robot da cucina, robot da lavoro

robot

ecc. Il termine è stato coniato per indicare un essere

replichi

artificiale, un automa o Androide, che e somigli ad un

animale (reale o immaginario) o ad un uomo. Il concetto

robot,

di quindi, può comprendere quasi tutti gli apparati

automatizzati. L'idea di persone artificiali risale almeno all'antica

leggenda di Cadmo, che seppellì dei denti di drago che si

trasformarono in soldati; e al mito di Pigmalione, la cui statua di

Galatea prese vita. Nella mitologia classica, il deforme dio del

metallo (Vulcano o Hephaestus) creò dei servi meccanici, che

andavano dalle intelligenti damigelle dorate a più utilitaristici tavoli

a tre gambe che potevano spostarsi di loro volontà.

La leggenda ebraica ci parla del Golem, una statua di argilla,

animata dalla magia cabalistica. Nell'estremo Nord canadese e nella

Groenlandia occidentale, le leggende Inuit raccontano di Tupilaq (o

Tupilak), che può essere creato da uno stregone per dare la caccia e

uccidere un nemico. Usare un Tupilaq per questo scopo può essere

un'arma a doppio taglio, in quanto una vittima abbastanza ferrata in

stregoneria può fermare un Tupilaq e "riprogrammarlo" per cercare

e distruggere il suo creatore. 10

Il primo progetto documentato di un robot umanoide venne fatto da

Leonardo da Vinci attorno al 1495. Degli appunti di da Vinci,

riscoperti negli anni cinquanta, contengono disegni dettagliati per

un cavaliere meccanico, che era apparentemente in grado di alzarsi

in piedi, agitare le braccia e muovere testa e mascella. Il progetto

era probabilmente basato sulle sue ricerche anatomiche registrate

nell' Uomo di Vitruvio. Non si sa se tentò o meno di costruire il

robot. Il primo robot funzionante conosciuto venne creato nel 1738

da Jacques de Vaucanson, che fabbricò un androide che suonava il

flauto. Una volta che la tecnologia avanzò al punto che la gente

intravedeva delle creature meccaniche come qualcosa più che dei

giocattoli, la risposta letteraria al concetto di robot rifletté le paure

che gli esseri umani avrebbero potuto essere rimpiazzati dalle loro

stesse creazioni.

Il termine robot deriva dal termine ceco robota, che significa

"lavoro pesante" o "lavoro forzato".

L'introduzione di questo termine si deve allo scrittore ceco Karel

il quale usò per la prima volta il termine nel 1920 nel suo

Čapek,

dramma teatrale “I robot universali di Rossum”. In realtà non fu il

vero inventore della parola, la quale infatti gli venne suggerita dal

fratello Josef, scrittore e pittore cubista, il quale aveva già affrontato

il tema in un suo racconto del 1917, Opilec ("L'ubriacone"), nel

quale però aveva usato il termine automat, "automa". La diffusione

del romanzo di Karel, molto popolare sin dalla sua uscita, servì a

dare fama al termine Robot. Anche se i robot di erano uomini

Čapek

artificiali organici, la parola robot viene quasi sempre usata per

indicare un uomo meccanico. Il termine androide (dal greco anèr,

andròs, "uomo", e che quindi può essere tradotto "a forma d'uomo")