EMBOT

EMBOT : Riprogettazione e Realizzazione di un robot esploratore: Meccanica, Controllo Motori e Programmazione Autori: Adriano Gaibotti, Francesco Mariggiò - Relatore: Prof. Giuseppina GINI 

EMBOT (Elettro-pneumatic Mobile roBOT) è un robot della famiglia WHEGS.

Questi robot utilizzano un sistema di locomozione ibrido tra ruote e zampe, appunto chiamato whegs (wheel-legs).

Questo lavoro era gi`a stato avviato in due precedenti elaborati, in cui il progetto prevedeva, oltre al sis- tema di locomozione gi`a citato, la possibilità per ogni mozzo di espandersi elettro- pneumaticamente, in modo da poter superare agevolmente ostacoli più alti della sua leva standard. Purtroppo uno studio di fattibilità del progetto ha dovuto scartare questa specifica dal modello realizzativo finale.

Sistema WHEGS

Questa tipologia di robot utilizza come sistema di locomozione dei giunti rotativi, dotati ciascuno di una o pi ` u zampe, che sono in grado quindi di simulare la camminata utilizzando un controllore meno complesso rispetto a quello di un robot a zampe.

Stato dell'arte

PROLERO

PROLERO (PROtotype of LEgged ROver) ´ 1996 da A. Martin Alvarez all’ESA (European Space Agency) quattro zampe a L, ciascuna con un solo grado di libert`a e attuate singolarmente da un solo motore.

RHex

´e un robot dotato di sei zampe messe in movimento ciascuna da un attua- 

tore.

Whegs I

Il Whegs I ´e lungo circa 50 cm, ed utilizza il sistema di locomozione sopra descrit- to. Raggiunge una velocit` a di circa 1.5 m/s. Tra il posizionamento delle zampe su di uno stesso asse, vi ´e uno sfasamento di 60◦ , producendo cos`ı un’andatura alternata delle zampe.

Whegs II

Il Whegs II ´e un miglioramento del Whegs I in termini di dispendio energetico e capacit`a di locomozione. Oltre ad un sostanziale miglioramento del design, il Whegs II ´e stato dotato di un ulteriore giunto a met` a del corpo centrale, che permette il superamento di ostacoli di maggiore altezza

Autonomous Whegs II

, utilizzando un sistema sensoriale molto simile a quello di alcuni insetti che usano delle antenne per orientarsi nell’ambiente circostante. ostituite da un sistema di rivelamento degli ostacoli basato su sensori ad ultrasuoni,

Mini-Whegs I

Il Mini-Whegs I ´e un robot di dimensioni molto ridotte, solo 8-9 cm di lunghezza, e ci` o gli consente di raggiungere velocit` a di un certo livello, nell’ordine dei 10 body- lengths per secondo. I

SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DI EMBOT

FIG -SCHEMA

COMPONENTI DEL SISTEMA workstation: ´ E la stazione di controllo fisica che gestisce tutto il robot, dalla connessione all’access point, ai comandi necessari all’attuazione. Su tale macchina verr` a quindi lanciato un sorgente creato ad hoc (che si pu` o consultare nell’Appendice A). 􏰀 Wifi access point: ´ E per l’appunto un access point dalle ridotte dimensioni che gestisce la connessione di rete, al fine di non sovraccaricare anche di questo compito il processore della FOX Board. 􏰀 FOX Board LX832: ´ E il ”cervello” del robot, una piccola board che controlla l’intero sistema. Si interfaccia con il device di rete, invia i segnali di attuazione alla scheda di controllo, gestisce evventuali periferiche quali webcam e permette all’utente di monitorarla tramite shell ssh. 18 CAPITOLO 3. IMPOSTAZIONE DEL PROBLEMA DI RICERCA 􏰀 Controllo motore: ´ E una scheda elettronica in grado di convertire i segnali inviati dalla FOX Board in valori di tensione utili al controllo dei motori. 􏰀 Battery Pack: ´ E il gruppo di batterie al NiMh (Nichel Metal Idrato) che danno energia a tutto il robot. Esso ´e costituito da due gruppi di batterie in serie da 12V, in maniera tale da fornire al sistema 24V. 􏰀 Regolatore di tensione: ´ E una scheda in grado di convertire un segnale da 24V in uno da 5V, necessario all’alimentazione dell’elettronica. Esso ´e integrato nella scheda del controllo motori. 􏰀 Motore: Consiste in un motoriduttore planetario alimentato a 24V.

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SISTEMA MECCANICO

Il sistema meccanico nel suo complesso ´e composto da: 􏰀 chassis 􏰀 mozzi tri-assiali 􏰀 motoriduttori E192 ---

CHASSIS

Lo chassis, gi` a presente nei progetti precedenti, ´e composto da un telaio in allu- minio a forma di parallelepipedo, in modo da poter contenere tutti i componenti necessari e fornire una certa simmetria in caso di ribaltamenti.

SISTEMA ELETTRONICO

I componenti elettronici utilizzati sono: 􏰀 FOX Board LX832: scheda di controllo che ospita la logica del robot. 􏰀 Schede per il controllo motori: controllano i motori ricevendo i comandi dalla FOX Board. 􏰀 Scheda di rete: scheda per interfacciarsi con l’esterno per il controllo a distanza.

FOXBoard

CPU Linux Embedded di ridotte dimensioni e bassi consumi. ` E dotata di un processore Axis ETRAX 100 LX con architettura RISC a 32bit 100MIPS, 32 Megabyte di RAM e 8 Megabyte di FLASH. CPU Linux Embedded di ridotte dimensioni e bassi consumi. ` E dotata di un processore Axis ETRAX 100 LX con architettura RISC a 32bit 100MIPS, 32 Megabyte di RAM e 8 Megabyte di FLASH. T

Nello sviluppo 

del progetto EMBOT si `e usato il Phrozen SDK, fortemente basato sul SDK stan- dard sviluppato da Axis, ma con un alto numero di patches, applicativi e utilities aggiunte dallo sviluppatore John Crispin, che ne fanno un SDK molto versatile.

Controllo motori

Per il controllo motori si sono utilizzate due schede su cui `e montato l’integrato L298N, che `e un doppio ponte H. Il ponte H `e un circuito in grado di trasformare i segnali ricevuti in ingresso in appositi comandi per l’attuatore.

l’integrato L298N sia un doppio ponte H fa s`ı che si possano utilizzare solo due schede per controllare tutti e quattro i motori.

Interfaccia di rete

Per la gestione della connessione senza fili, dato che la FOX Board `e provvista di un’interfaccia Ethernet 10/100Mb, si `e utilizzato un miniaccess-point, in modo da sgravare la FOX Board dal calcolo computazionale della gestione dei pacchetti.

SISTEMA SOFTWARE

Terminata la progettazione elettronica, si `e creata un’applicazione in grado di far comunicare una workstation (un qualsiasi PC dotato di scheda di rete) con il sistema di controllo di EMBOT. Per fare ci`o si `e utilizzata la classica architettura client-server, in cui il client `e la workstation che invia i comandi al robot e il server `e la FOX Board che riceve i comandi ed invia degli opportuni segnali al controllo motori.

COMANDI

In particolare l’utilizzo delle linee di input ed output presenti all’interno della FOX Board, che serviranno per il controllo dei motori, viene effettuato tramite l’accesso ai files speciali /dev/gpioa, /dev/gpiob, /dev/gpiog, che fanno riferi- mento rispettivamente alla Port A, alla Port B e alla Port G.

Cross-compilazione

Il sorgente che risieder`a su Embot `e stato progettato su un’architettura i386 e suc- cessivamente cross-compilato per l’architettura MIPS100.

Direzioni Future di Ricerca e Conclusioni

Come primo punto di ricerca futura bisogner´a senz’altro risolvere il problema del controllo via Wifi e dell’alimentazione. Per ovviare alla durata limitata della bat- teria, sarebbe interessante studiare la possibilit´a di dotare il robot di un sistema di pannelli solari per la rigenerazione del gruppo di celle al NiMH. Tale opzione porterebbe notevoli vantaggi, dato che EMBOT ´e per sua natura un robot es- ploratore, progettato quindi per il movimento all’aria aperta. Rimanendo proprio in questo settore, sarebbe davvero interessante studiare la possibilit´a di rendere lo chassis del robot a tenuta stagna. Tale propriet´ a, unita ad un’alleggerimento generale delle pesistiche in gioco, potrebbe portare il robot a muoversi sia in ambienti fangosi, che possibilmente in acqua, dato che la parti- colare conformazione del sistema di locomozione (unito anche a speciali ”piedini” per le zampe), potrebbe fungere da pale per creare un effetto ”battello”. Ovviamente per ottenere tale risultato, bisogner´a lavorare molto sul peso. Un altro attraente sviluppo futuro potrebbe essere quello di avvicinare EMBOT ad un suo predecessore quale l’Autonomous Whegs II (citato nel secondo capitolo). Ci´ o porterebbe a dotare il robot di un sistema sensoriale per la rilevazione degli ostacoli, unito ad un avanzato sistema autonomo di controllo della locomozione. Questa opzione, unita ai pannelli solari, porterebbe Embot ad un eccellente stato di completa autonomia. Un altro interessante sviluppo potrebbe scaturire dall’aggiunta di vari sensori di rilevazione, in modo da avere una stima completa dell’ambiente che circonda EM- BOT, quale temperatura, umidit´ a, e forse pi ´ u interessante di tutti, rilevazioni di tipologie e percentuali di gas presenti nell’aria. Tale sistema potrebbe rendere utile il robot nel caso di perlustrazioni di terreni nel quale un uomo potrebbe trovarsi a rischio, quali ad esempio, esplorazione di condotte con possibile presen- 36

RISULTATO FINALE E CONCLUSIONI

za di esalazioni tossiche. Come conclusione si pu´ o dire che siamo pi ´ u che soddisfatti del lavoro svolto, che ci ha portato a mettere in pratica concetti e nozioni apprese durante la nostra carriera universitaria e che, altrimenti, sarebbero rimaste solamente sulla carta. Lo svolgimento di questo progetto ci ha portato inoltre a consolidare le nostre nozioni sull’elettronica e la programmazione, oltre a farci diventare esperti nell’uso del trapano e del saldatore.