il mondo dei_robot_negrini_10-11

Il mondo dei robot

A .S 2010 -2011

CL . 5 D

I t i s Enea

Ma t t e i ( SO )

Co rso :

I n f o rma t i ca

Alessandro Negrini

Rapida anteprima sul mondo dei robot, dalla

loro nascita al loro sviluppo e al loro impiego

nella società contemporanea.

Il mondo dei robot. Gestione braccio robotica tramite PC e Arduino 1

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)

PremessaPremessaPremessaPremessa

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.


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.


Alessandro Negrini

SommarioSommarioSommarioSommario

1. Che cos’ è la robotica1. Che cos’ è la robotica1. Che cos’ è la robotica1. Che cos’ è la robotica

4444

1.1 Origine del termine “robot”

5

1.2 Cosa sono i robot ?

5

1.3 Breve storia dei robot

6

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

9

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


2. Etica e robot2. Etica e robot2. Etica e robot2. Etica e robot

11114444

2.1 Campi di applicazione

15

2.2 I robot industriali

16

2.3 I robot militari

17

2.3.1 I robot a Fukushima

18

2.4 I robot in medicina

19

2.5 I robot e le competizioni

22

3. Approfondimento : il manipolatore3. Approfondimento : il manipolatore3. Approfondimento : il manipolatore3. Approfondimento : il manipolatore

22223333

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


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 ITIS4. Robarman: il braccio made in ITIS4. Robarman: il braccio made in ITIS4. Robarman: il braccio made in ITIS

30303030

Il mondo dei robotIl mondo dei robotIl mondo dei robotIl mondo dei robot

1.1.1.1. Che cos’è la RoboticaChe cos’è la RoboticaChe cos’è la RoboticaChe 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 .


1.1 Origine del termine1.1 Origine del termine1.1 Origine del termine1.1 Origine del termine “robot” “robot” “robot” “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


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?1.2 Cosa sono i robot?1.2 Cosa sono i robot?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: Programmabilità: Programmabilità: Programmabilità: capacità di elaborazione che il progettista può combinare come

desidera;

• Mobilità: Mobilità: Mobilità: Mobilità: possibilità di interagire fisicamente con l’ambiente;

• Flessibilità: Flessibilità: Flessibilità: Flessibilità: capacità di esibire un comportamento adatto alla situazione;

• Autonomia: Autonomia: Autonomia: Autonomia: possibilità di svolgere le proprie funzioni senza ingerenze o

condizionamenti da parte di altri membri.


SensoreSensoreSensoreSensore: dispositivo che trasforma una grandezza fisica che si vuole misurare, in un

segnale di natura diversa (tipicamente elettrico) più facilmente misurabile o

memorizzabile.

AttuatoreAttuatoreAttuatoreAttuatore: 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 1.3 1.3 1.3 Breve storia dei robotBreve storia dei robotBreve storia dei robotBreve 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


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


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

1.3.1 Curiosità: il 1.3.1 Curiosità: il 1.3.1 Curiosità: il 1.3.1 Curiosità: il

giocatore a scacchi di giocatore a scacchi di giocatore a scacchi di giocatore a scacchi di MMMMaelzelaelzelaelzelaelzel

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


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 generazione1.3.2 I robot di prima generazione1.3.2 I robot di prima generazione1.3.2 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” “Robot fracassoni” “Robot fracassoni” “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.

1.3.1.3.1.3.1.3.3333 I robot di seconda generazione I robot di seconda generazione I robot di seconda generazione I robot di seconda generazione


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.

1.1.1.1.3.43.43.43.4 I robot di terza generazione I robot di terza generazione I robot di terza generazione 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


1.3.5 I robot di quarta generazione1.3.5 I robot di quarta generazione1.3.5 I robot di quarta generazione1.3.5 I robot di quarta generazione

I robot della quarta generazione sono considerati i robot del futuro. Questi robot sono

chiamati androidi o umanoidi, androidi o umanoidi, androidi o umanoidi, 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 letteratura1.4 La robotica e la letteratura1.4 La robotica e la letteratura1.4 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.


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 Il nuovo spazio da esplorare, dopo quello esterno tra le stelle e quello Il nuovo spazio da esplorare, dopo quello esterno tra le stelle e quello Il nuovo spazio da esplorare, dopo quello esterno tra le stelle e quello

interiore della psiche, è quellointeriore della psiche, è quellointeriore della psiche, è quellointeriore della psiche, è quello virtualevirtualevirtualevirtuale delle tecnologiedelle tecnologiedelle tecnologiedelle tecnologie informaticheinformaticheinformaticheinformatiche e di e di e di e di

telecomunicazione.telecomunicazione.telecomunicazione.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.

1.4.1.4.1.4.1.4.1 1 1 1 Isaac AsimovIsaac AsimovIsaac AsimovIsaac 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.


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 w1.4.2 His w1.4.2 His w1.4.2 His writingsritingsritingsritings

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. Three Laws of Robotics. Three Laws of Robotics. 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”.


1.4.3 1.4.3 1.4.3 1.4.3 First LawFirst LawFirst LawFirst 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."


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 hot-

footed it for Base and the storms really broke next day. Emma Two returned two


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?"

2.2.2.2. Etica e robotEtica e robotEtica e robotEtica 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?


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 uomo-

robot 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


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 applicazione2.1 Campi di applicazione2.1 Campi di applicazione2.1 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 sotto-

discipline fra le quali però raramente esiste una netta linea di demarcazione.

• Arte robotica: Arte robotica: Arte robotica: 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 biomedicale: Robotica biomedicale: 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: Domotica: Domotica: 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:Microrobotica:Microrobotica: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: Robotica industriale: Robotica industriale: Robotica industriale: il campo industriale è sicuramente quello in cui i robot

hanno trovato maggiore diffusione: il loro impiego nelle catene di


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;

• RoboRoboRoboRobotica militare: tica militare: tica militare: tica 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: Robotica spaziale: Robotica spaziale: 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: Robotica sociale: Robotica sociale: 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 industriali2.2 Robot industriali2.2 Robot industriali2.2 Robot industriali


L’ automazione industriale è l’ insieme delle tecnologie rivolte ad utilizzare sistemi L’ automazione industriale è l’ insieme delle tecnologie rivolte ad utilizzare sistemi L’ automazione industriale è l’ insieme delle tecnologie rivolte ad utilizzare sistemi L’ automazione industriale è l’ insieme delle tecnologie rivolte ad utilizzare sistemi

meccanici, elettronici, informaticmeccanici, elettronici, informaticmeccanici, elettronici, informaticmeccanici, elettronici, informaticiiii per il controllo e la produzione nell’ industria, in per il controllo e la produzione nell’ industria, in per il controllo e la produzione nell’ industria, in per il controllo e la produzione nell’ industria, in

modo da sostituire l’ omodo da sostituire l’ omodo da sostituire l’ omodo da sostituire l’ operatore umano, non solo per l’ esecuzione materiale delle peratore umano, non solo per l’ esecuzione materiale delle peratore umano, non solo per l’ esecuzione materiale delle peratore umano, non solo per l’ esecuzione materiale delle

operazione, ma anche per l’ elaborazione intelligente delle informazioni. operazione, ma anche per l’ elaborazione intelligente delle informazioni. operazione, ma anche per l’ elaborazione intelligente delle informazioni. operazione, ma anche per l’ elaborazione intelligente delle informazioni.

L’ automazione industriale si divide in automazione rigidarigidarigidarigida, impiegata per

elevatissimi ritmi di produzione e caratterizzata da una scarsa o nulla possibilità di

riprogrammazione, automazione programmabileprogrammabileprogrammabileprogrammabile, rappresentata da piccoli e medi

volumi di produzione e possibilità di riprogrammazione, automazione flessibileflessibileflessibileflessibile che

comprende macchinari che possono essere utilizzati in diverse lavorazioni con

modesti cambiamenti.

Il robot industriale si compone di una struttura meccanicastruttura meccanicastruttura meccanicastruttura meccanica con attuatori e sensori e un’

unità di governounità di governounità di governounità di governo.

Esempi di impiego della robotica industriale:

Da: “Introduzione alla Robotica industriale” Politecnico di Milano


2.3 Robot militari2.3 Robot militari2.3 Robot militari2.3 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 DogBig DogBig DogBig 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


DroneDroneDroneDrone: 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: Robot artificieri: Robot artificieri: 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 Fukushima2.3.1 I robot a Fukushima2.3.1 I robot a Fukushima2.3.1 I robot a Fukushima


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 2.4 I 2.4 I 2.4 I robot robot robot robot in medicinain medicinain medicinain medicina

Per chirurgia robotica s’ intende una serie di

macchinari che attualmente sono sviluppati per

supportare una vasta gamma di procedure

chirurgiche.


I robot impiegati in ambito medico si distinguono principalmente in tre categorie

principali:

• ttttecnologie per l’assistenzaecnologie per l’assistenzaecnologie per l’assistenzaecnologie 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 :

ProtesiProtesiProtesiProtesi: : : :

FES (Functional ElectroFES (Functional ElectroFES (Functional ElectroFES (Functional Electro----Stimulation)Stimulation)Stimulation)Stimulation): : : :

Aiuti per la mobilità/manipolabilitàAiuti per la mobilità/manipolabilitàAiuti per la mobilità/manipolabilitàAiuti per la mobilità/manipolabilità: : : :


Assistenza Assistenza Assistenza Assistenza remotaremotaremotaremota::::


• rrrrobotica chirurgicaobotica chirurgicaobotica chirurgicaobotica chirurgica: utilizzata per esempio nelle sale operatorie o per la

diagnosi;


• robotica riabilitativarobotica riabilitativarobotica riabilitativarobotica riabilitativa: robot e strumenti meccatronici per la riabilitazione

neuromotoria;


2.5 I robot e le competizioni2.5 I robot e le competizioni2.5 I robot e le competizioni2.5 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 warrobot warrobot warrobot war è una gara in cui lo scopo è la distruzione dell'avversario;

� mmmminisumoinisumoinisumoinisumo 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;

� explorerexplorerexplorerexplorer dove in un labirinto il robot deve trovare delle fonti di suono, luce e

gas;

� line followerline followerline followerline follower seguire una linea sembra facile, ma la velocità è tutto;

� R.T.C.R.T.C.R.T.C.R.T.C. Robo Tolomeo CupRobo Tolomeo CupRobo Tolomeo CupRobo 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,RoboCup,RoboCup,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.


3.3.3.3. Approfondimento: Approfondimento: Approfondimento: Approfondimento: il il il il braccio mbraccio mbraccio mbraccio meccanicoeccanicoeccanicoeccanico

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 meccanicastruttura meccanicastruttura meccanicastruttura meccanica che consiste in una serie di corpi rigidi ( braccibraccibraccibracci )

interconnessi tra loro per mezzo di articolazioni ( giuntigiuntigiuntigiunti ); nel manipolatore si

individuano una struttura portantestruttura portantestruttura portantestruttura portante che ne assicura la mobilità, un polso, polso, polso, polso, che

conferisce destrezza e un organo terminaleorgano terminaleorgano terminaleorgano terminale(o end effector)(o end effector)(o end effector)(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 );

• attuatoriattuatoriattuatoriattuatori che imprimono al manipolatore il movimento attraverso l’

azionamento dei giunti; solitamente si utilizzano motori elettrici, idraulici e

talvolta pneumatici;

• sensorisensorisensorisensori che misurano lo stato del manipolatore ( sensori propriocettivi ) ed

eventualmente lo stato dell’ ambiente ( sensori eterocettivi );

• una unità di governounità di governounità di governounità 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


� 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 manipolatori3.1 Struttura dei manipolatori3.1 Struttura dei manipolatori3.1 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 Schematizzazione manipolatore industriale con i relativi termini tecnici, a sette gradi di Schematizzazione manipolatore industriale con i relativi termini tecnici, a sette gradi di Schematizzazione manipolatore industriale con i relativi termini tecnici, a sette gradi di

movimentomovimentomovimentomovimento:


3333....1111.1 Manipolatore cartesiano .1 Manipolatore cartesiano .1 Manipolatore cartesiano .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


3.1.2 Manipolatore a portale3.1.2 Manipolatore a portale3.1.2 Manipolatore a portale3.1.2 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 cilindrico3.1.3 Manipolatore cilindrico3.1.3 Manipolatore cilindrico3.1.3 Manipolatore cilindrico

Il manipolatore cilindrico è

caratterizzato da:

• un giunto rotoidale e due

prismatici

• ad ogni grado di libertà


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


3.1.4 Manipolatore sferico3.1.4 Manipolatore sferico3.1.4 Manipolatore sferico3.1.4 Manipolatore sferico

Il manipolatore sferico è caratterizzato da:

• due giunti rotoidali e uno prismatico

• ad ogni grado di mobilità


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 SCARA3.1.4 Manipolatore SCARA3.1.4 Manipolatore SCARA3.1.4 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


3.1.5 Manipolatore antropomorfo3.1.5 Manipolatore antropomorfo3.1.5 Manipolatore antropomorfo3.1.5 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 controllo3.2 Unità di controllo3.2 Unità di controllo3.2 Unità di controllo e programmazione e programmazione e programmazione 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 :


� 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 doingteaching by doingteaching by doingteaching 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).

PROGRAMPROGRAMPROGRAMPROGRAM pezzopezzopezzopezzo

VAR VAR VAR VAR riposo, trasp, tavola, scarto : POSITIONriposo, trasp, tavola, scarto : POSITIONriposo, trasp, tavola, scarto : POSITIONriposo, trasp, tavola, scarto : POSITION

BEING CYCLEBEING CYCLEBEING CYCLEBEING CYCLE

MOVE TO MOVE TO MOVE TO MOVE TO riposoriposoriposoriposo

OPEN OPEN OPEN OPEN HAND 1HAND 1HAND 1HAND 1

WAIT FOR WAIT FOR WAIT FOR WAIT FOR $DIN(1)=ON $DIN(1)=ON $DIN(1)=ON $DIN(1)=ON //aspetta finchè il trasportatore è pronto//aspetta finchè il trasportatore è pronto//aspetta finchè il trasportatore è pronto//aspetta finchè il trasportatore è pronto

MOVE TO MOVE TO MOVE TO MOVE TO trasptrasptrasptrasp

CLOSE CLOSE CLOSE CLOSE HAND 1HAND 1HAND 1HAND 1

IFIFIFIF $DIN(2)=OFF$DIN(2)=OFF$DIN(2)=OFF$DIN(2)=OFF TTTTHENHENHENHEN //se il pezzo è buono//se il pezzo è buono//se il pezzo è buono//se il pezzo è buono

MOVE TO MOVE TO MOVE TO MOVE TO tavolatavolatavolatavola

ELSEELSEELSEELSE

MOVE TO MOVE TO MOVE TO MOVE TO scaricoscaricoscaricoscarico

ENDIFENDIFENDIFENDIF

OPENOPENOPENOPEN HAND HAND HAND HAND 1111 //depone il pezzo su tavolo o nello scarico//depone il pezzo su tavolo o nello scarico//depone il pezzo su tavolo o nello scarico//depone il pezzo su tavolo o nello scarico

ENDENDENDEND pezzopezzopezzopezzo


3.33.33.33.3 I robot e la fisica: la cinematica I robot e la fisica: la cinematica I robot e la fisica: la cinematica 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 industrialeIn ambito industrialeIn ambito industrialeIn ambito industriale,,,, la cinematica studia la la cinematica studia la la cinematica studia la la cinematica studia la

relazione tra le posizioni dei giunti e le relazione tra le posizioni dei giunti e le relazione tra le posizioni dei giunti e le relazione tra le posizioni dei giunti e le

posiziposiziposiziposizioni e l’ orientamento dell’ organo terminale, chiamato anche end effectoroni e l’ orientamento dell’ organo terminale, chiamato anche end effectoroni e l’ orientamento dell’ organo terminale, chiamato anche end effectoroni e l’ orientamento dell’ organo terminale, chiamato anche end effector. . . .

3.33.33.33.3.1 La cinematica diretta.1 La cinematica diretta.1 La cinematica diretta.1 La cinematica diretta

Il problema cinematico diretto consiste nel determinare la posizione e

l’orientamento dell’end effector del manipolatore (indicato con xxxx), a partire

dalle coordinate di giunto qqqq.

Quindi dobbiamo trovare una funzione che metta in relazione x e q:

Esempio:


*

*

* proprietà

trigonometria

3.3.3.3.3333.2 La cinematica inversa.2 La cinematica inversa.2 La cinematica inversa.2 La cinematica inversa

Il problema cinematico inverso consiste nel determinare le coordinate di

giunto q q q q corrispondenti a una data posizione e a un dato orientamento

dell’end effector (xxxx) 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 operazioni3.3.3 Altre operazioni3.3.3 Altre operazioni3.3.3 Altre operazioni

Cinematica differenziale:Cinematica differenziale:Cinematica differenziale:Cinematica differenziale: studia il legame tra le velocità dei giunti e la

velocità dell’ organo terminale. Il legame è espresso da una matrice, detta

JacobianoJacobianoJacobianoJacobiano del manipolatore.


Statica :Statica :Statica :Statica : esprime il legame tra un vettore di forze F F F F applicate all’end effector e il corrispondente vettore di coppie generalizzate τ che tiene in equilibrio il

sistema.

Pianificazione della traettoria:Pianificazione della traettoria:Pianificazione della traettoria: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.

4.4.4.4. Robarman: il braccio made in ITISRobarman: il braccio made in ITISRobarman: il braccio made in ITISRobarman: 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.


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 ArduinoArduinoArduinoArduino, che trasforma i segnali che gli arrivano dal computer in

segnali elettrici che vanno direttamente al circuito azionando adeguatamente i vari

servomotori.

Arduino: Arduino: Arduino: 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: Schema del sistema: Schema del sistema: Schema del sistema:


Il Il Il Il softwaresoftwaresoftwaresoftware sul computer sul computer sul computer 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

varie modalità di utilizzo del

sistema.

Start registrazione:

il braccio memorizza

la sequenza di

mosse

Stop registrazione:

ferma la

memorizzazione

delle mosse


Modalita di gestione locale: Modalita di gestione locale: Modalita di gestione locale: Modalita di gestione locale:

ModalitàModalitàModalitàModalità di gestione remota: di gestione remota: di gestione remota: di gestione remota:

ClieClieClieClientntntnt: è colui che decide le mosse da far ServerServerServerServer: è colui che ricevendo i

comandi

fare al braccio, aiutandosi anche con la dal client deve trasferirli all’ Arduino per

webcam e una videochiamata Skype far muovere i servomotori in maniera

con il server. adeguata

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.


ModalitàModalitàModalitàModalità “Forza 4”: “Forza 4”: “Forza 4”: “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 Arduino L’ IDE 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.


Per permettere la stesura del codice sorgente la scheda include inoltre un editore di

testo dotato di alcune particolarità, come il syntax highlighting, il controllo delle

parentesi, e l'indentazione automatica. L'editor è inoltre in grado di compilare e lanciare il

programma eseguibile in una sola passata e con un singolo click. L'ambiente di sviluppo

integrato di Arduino è fornito di una libreria software C/C++ chiamata "Wiring"

(dall'omonimo progetto Wiring), che rende molto più semplice implementare via software

le comuni operazioni input/output. I programmi di Arduino sono scritti in C/C++, ma,

per poter creare un file eseguibile, all'utilizzatore non è chiesto altro se non definire due

funzioni:

� setup() – una funzione invocata una sola volta all'inizio di un programma che può

essere utilizzata per i settaggi iniziali

� loop() – una funzione chiamata ripetutamente fino a che la scheda non viene

spenta.

syntax highlightingsyntax highlightingsyntax highlightingsyntax highlighting: si intende la caratteristica di un software, solitamente editor di testo,

di visualizzare un testo con differenti colori e font in base a particolari regole sintattiche.

Questa caratteristica, utilizzata soprattutto per il codice sorgente, facilità la scrittura in

un linguaggio strutturato come un linguaggio di programmazione o un linguaggio di

markup che dispone di una sintassi e di una grammatica precise.

Un tipico esempio di programma per iniziare la pratica con un microcontroller è quello,

molto semplice, che permette l'accensione ripetuta di un LED. Nell'ambiente di sviluppo

di Arduino, l'utilizzatore potrebbe farlo con un programmino come il seguente[3] :

#define LED_PIN 13

void setup () {

pinMode (LED_PIN, OUTPUT); // abilita il pin 13 per l'output digitale

}

void loop () {

digitalWrite (LED_PIN, HIGH); // accende il LED

delay (1000); // aspetta 1 secondo (1000 millisecondi)

digitalWrite (LED_PIN, LOW); // spegne il LED

delay (1000); // aspetta un secondo

}

Frammenti di codice commentati: Frammenti di codice commentati: Frammenti di codice commentati: Frammenti di codice commentati:


#include <Servo.h> // libreria Arduino per i servi

Servo spalla_1; //dichiarazione oggetti di tipo Servo

int passog=2; // il passo, ossia ogni volta che fa un movimento si muove di 2 gradi

…

void setup() // inizializzazione

{

Serial.begin(9600); // baud rate : 9600

spalla_1.attach(11); // assegno il pin 11 di Arduino all’ oggetto servo spalla_1

spalla_1.write(90); // nel pin 11 mando il valore 90 che indica al servo di mettersi a 90°

}

…

void loop()

{

delay(50); // ritardo di 50 ms

if(Serial.available()) // controllo se la comunicazione seriale

int c = Serial.read(); //legge da seriale

if (c == 's') //controllo il valore della variabile c

{

apri_mano(); //richiamo alla funzione su()

}

}

…

void su()

{

… //contiene le istruzioni per far aprire la mano

}

Fonti:Fonti:Fonti:Fonti:

• www.wikipedia.it

• www.isaacasimov.it

• www.irobot.com

• www.unimi.it

• “Introduzione all’ automazione industriale” Politecnico di Milano


Alessandro Negrini