I.T.I.S. G. Galilei di Conegliano (Tv) Corso di Elettrotecnica e Automazione

Anno scolastico 2013/2014

La nascita della robotica e i suoi impieghi nella società contemporanea Presentazione del braccio robotico Auriga

Progetto AurigA

LIVOTTO LUCA - Classe 5a Aea

Ringraziamenti

R i n g r a z i o i n a n z i t u t t o i m i e i a m i c i , c h e n o n h a n n o m a is m e s s o d i s t a r m i a c c a n t o d u r a n t e t u t t o q u e s t o t e m p o e

h a n n o s a p u t o t i r a r m i s u i l m o r a l e , n e i m o m e n t i d i d i � c o l t à . R i n g r a z i o i m i e i c o m p a g n i , i m i e i p r o f e s s o r i e l ’ I T I S ,

p e r g l i s p u n t i e l ’a p p o g g i o c h e m i s o n o s t a t i d a t i , c o n i q u a l i h o p o t u t o c r e s c e r e c o m e s t u d e n t e

e c o m e u o m o.R i n g r a z i o l a m i a f a m i g l i a , p e r i l c o s t a n t e s o s t e g n o

e i n c o r a g g i a m e n t o, i n o g n i m i a i n i z i a t i va .R i n g r a z i o m i a m a d r e p e r t u t t a l a s u a p a z i e n z a ,

p e r a v e r m i a s s i s t i t o n e l l o s t u d i o, p e r a v e r m i b u t t a t og i ù d a l l e t t o o g n i q u a l v o l t a n o n s e n t i v o l a s v e g l i a , p e r

a v e r m i s o p p o r t a t o p e r t u t t i q u e s t i a n n i .I n � n e r i n g r a z i o m i o p a d r e , c h e c o n l a s u a p a s s i o n e e de n t u s i a s m o m i h a s e m p r e s p i n t o a m i g l i o r a r m i e a n o n

p e r d e r e d i v i s t a l ’o b i e t t i v o. S e n z a d i l u i i l p r o g e t t oc o n s i s t e r e b b e a n c o r a i n u n d i s e g n o a m a t i t a ,

s u l b a n c o d i s c u o l a .

Premessa I n o c c a s i o n e d e l l a m a t u r i t à , h o d e c i s o d i a p p r o f o n d i r e l a m i a

p a s s i o n e p e r i l m o n d o d e l l a r o b o t i c a .N a s c e c o s ì i l p r o g e t t o “A u r i g a ”, u n o s t u d i o p e r s o n a l e d u r a t o c i r c a u n a n n o, d o v e h o p u n t a t o a r a c c o g l i e r e i n f o r m a z i o n i ,

a n e d d o t i , i m m a g i n i , c h e p r e s e n t a s s e r o l a r o b o t i c a e i r o b o t , c h e s e m p r e p i ù t e n d o n o a d a � a n c a r c i n e l l ’ i n d u s t r i a , n e l

g i o c o, e a n c h e n e l l a v i t a d i t u t t i i g i o r n i .H o d e c i s o i n o l t r e d i a v v e n t u r a r m i n e l l o s t u d i o e p r o g e t t a z i o n e

d i u n “ b r a c c i o r o b o t i c o” ( A u r i g a R o b o t i c A r m ) , c o s ì d a p o t e r t o c c a r e c o n m a n o l a d i � c o l t à d e l l a p r o g e t t a z i o n e ,

i p r o b l e m i d e l l a f a s e d i c o s t r u z i o n e e l a s c o n � n a t a c o n o s c e n z a c h e q u e s t o r a m o t e c n o l o g i c o, i n c o n t i n u a e v o l u z i o n e ,

t e n d e a d a b b r a c c i a r e .

Pa r l i a m o d i q u a l c o s a c h e � n o a i e r i e r a “ f a n t a s c i e n z a ” e a c h in e i p o t i z z a va u n a f u t u r a e s i s t e n z a e a p p l i c a z i o n e e r a

d a t a , i n i z i a l m e n t e , s c a r s a i m p o r t a n z a ;c i t r o v i a m o p e r ò a d o v e r d a r r a g i o n e a l u n g i m i r a n t i p e n s a t o r i

c o m e I s a a c A s i m o v, c h e p r i m a d i m o l t i a l t r i h a n n o i m m a g i n a t o i lm o n d o i n c u i v i v i a m o o g g i , n o n s o l o i p o t i z z a n d o g l i s v i l u p p i

d e l l a s c i e n z a e d e l l a t e c n i c a , m a r i � e t t e n d o a n c h e s u l l ’e n o r m ei m p a t t o c h e q u e s t e s c o p e r t e a v r e b b e r o a v u t o s u l l a s o c i e t à .

I n q u e s t o p i c c o l o s a g g i o, m i p e r m e t t e r ò d i d a r e d e l l e i n f o r m a z i o n ie d e g l i s p u n t i p e r r i � e t t e r e e p e r t e n t a r e d i t r a s m e t t e r e ,

a l m e n o i n p a r t e , i l m i o i n t e r e s s e v e r s o q u e s t o m o n d o,v e r s o g l i s v i l u p p i e i p r o b l e m i , d i n a t u r a t e c n i c a e d e t i c a

c h e s t a t u t t ’o r a a � r o n t a n d o.

IntroduzioneVi chiedo di far caso per un momento a cosa vi viene in mente quandosentite la parola robot : se state pensando a dei bu� personaggi di latta conle antenne e dai movimenti scattosi, non siete sulla cattiva strada.Esistono però svariate tipologie di robot, o automi (queste due parole sono sinonimi).Il termine “robot” deriva dal ceco robota, che signi�ca “lavoro pesante” o“lavoro forzato”, infatti i robot possono trovare forma e applicazione in svariati ambiti, dall’industria pesante ai giocattoli per bambini, ma saranno accomunati da una programmazione, quindi programmati, “ideati” per eseguire speci�ci compiti.Appro�tto di questo preambolo per introdurre le Tre leggi della robotica di Isaac Asimov,riservandomi successivamete di approfondirne la funzione e la nascita. Si tratta di alcune regole, ideate dallo scrittore e uomo di scienza Asimov, sulle qualidovrebbe basarsi la programmazione, di qualsiasi robot.A scanso di equivoci, tengo a precisare che per “programmazione” si intende la creazione e stesura di un programma, quindi organizzare la funzione e i limitidi un automa.• 1 Un robot non può recar danno a un essere umano né può permettere che, a causa del proprio mancato intervento, un essere umano riceva danno.• 2 Un robot deve obbedire agli ordini impartiti dagli esseri umani, purché tali ordini non contravvengano alla Prima Legge.• 3 Un robot deve proteggere la propria esistenza, purché questa autodifesa non contrasti con la Prima o con la Seconda Legge.

Possiamo notare come queste leggi dettino dei vincoli anche agli scopi per i quali si crea un automa, che devono essere sempre paci�ci, all’insegna della sicurezza, servizio e prudenza nei confronti degli esseri umani.

indice

introduzione la robotica una conoscenza interdisciplinare in contatto con la realtà un po’ di storia etica della roboticaprotagonisti del boomi robot industrialibraccio robotico aurigaremote controllerscheda dati e alimentazionealimentatoreprogettazionecostruzioneproblemi riscontratischemi elettrici: scheda alimentazione e segnalepololu servo controllerremote controller

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IntroduzioneVi chiedo di far caso per un momento a cosa vi viene in mente quandosentite la parola robot : se state pensando a dei bu� personaggi di latta conle antenne e dai movimenti scattosi, non siete sulla cattiva strada.Esistono però svariate tipologie di robot, o automi (queste due parole sono sinonimi).Il termine “robot” deriva dal ceco robota, che signi�ca “lavoro pesante” o“lavoro forzato”, infatti i robot possono trovare forma e applicazione in svariati ambiti, dall’industria pesante ai giocattoli per bambini, ma saranno accomunati da una programmazione, quindi programmati, “ideati” per eseguire speci�ci compiti.Appro�tto di questo preambolo per introdurre le Tre leggi della robotica di Isaac Asimov,riservandomi successivamete di approfondirne la funzione e la nascita. Si tratta di alcune regole, ideate dallo scrittore e uomo di scienza Asimov, sulle qualidovrebbe basarsi la programmazione, di qualsiasi robot.A scanso di equivoci, tengo a precisare che per “programmazione” si intende la creazione e stesura di un programma, quindi organizzare la funzione e i limitidi un automa.• 1 Un robot non può recar danno a un essere umano né può permettere che, a causa del proprio mancato intervento, un essere umano riceva danno.• 2 Un robot deve obbedire agli ordini impartiti dagli esseri umani, purché tali ordini non contravvengano alla Prima Legge.• 3 Un robot deve proteggere la propria esistenza, purché questa autodifesa non contrasti con la Prima o con la Seconda Legge.

Possiamo notare come queste leggi dettino dei vincoli anche agli scopi per i quali si crea un automa, che devono essere sempre paci�ci, all’insegna della sicurezza, servizio e prudenza nei confronti degli esseri umani.

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La robotica è la disciplina dell'ingegneria che studia e sviluppa metodi che permettano a un robot di eseguire dei compiti speci�ci riproducendo il lavoro umano. Questo può avvenire tramite la costruzione e il coordinamento di complessi sistemi, costituiti da dispositivi (sensori e attuatori) adatti a percepire l'ambiente circostante e ad interagire con esso.

Rappresenta quindi la soluzione a vari problemi per gli umani, che possono liberarsi di compiti troppo noiosi, lunghi, pericolosi o faticosi, spesso in modo veloce e preciso. Tutto ciò nasce dal fascino che l’uomo, �n dall’antichità, ha avuto per sé stesso.Secondo Cartesio, “l’essere umano è dotato di un corpo simile a una macchina perfetta, incomparabilmente meglio ordinata, che ha in sé movimenti più meravigliosi di qualsiasi altra tra quelle che gli uomini possono inventare; e anche di un cogito, quella capacità di autocoscienza che lo porta a compiere azioni secondo la sua volontà, che gli dà la possibilità di provare emozioni autentiche e di scegliere come impostare la sua vita, senza considerare però, il sempre presente imprevisto, quasi mai preso in considerazione.”Se pensiamo ad esempio ad Asimo, il robot della Honda , che è in gradodi camminare, correre, ballare, salire e scendere le scale, stare in equilibrio su una gamba e giocare a calcio, giocare anche a baseball e a bowling, riconoscere le persone, salutarlee chiamarle per nome, non possiamo immaginare un giorno, un robot che compiaazioni di sua spontanea volontà, e quindi fuori programma?

Asimo, androide della Honda

La Robotica

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L’ essere umano è sempre stato a�ascinato dalla natura e da tutto ciò che lo circonda,e ancor più da sé stesso: se pensiamo a Galileo e a Da Vinci, solo per citarne due, possiamonotare con quanta ammirazione e interesse, gli scienziati studiassero il corpo umano e i suoi movimenti, la sua meccanica, il modo con cui tutt‘ora si presenta e si muove nello spazio.Ed ecco che vediamo robot creati a “immagine e somiglianza” degli esseri umani, detti Androidi; o automi che sfruttano il “ principio di funzionamento” di un arto, o di qualcheparte del corpo mano o animale, per compiere al meglio un compito, con l’eleganza e la perfezione ormai collaudata, di un braccio, una zampa o una mano.

E’ questa la paura di molti, che fu arginata già ottant’ anni fa’ da Isaac Asimov con leTre leggi della robotica. Il timore deriva dal fatto che l‘uomo riesca ad a�ermarsicome “creatore” e tenti di creare un suo “simile” che possegga la capacità di pensare(”cogito ergo sum” Cit. Cartesio) e quindi di “essere”, togliendo spazio vitale all’uomo stesso. Queste ipotesi stimolarono la fantasia degli artisti che abbracciavano la Fantascienza,tra i quali lo stesso Asimov.

Esempio di automacon deambulazione

basata sul principio di funzionamento degli arti

di un animale, spessopreferiti alla ruota.

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Una conoscenza interdisciplinare

Nella robotica con�uiscono molte discipline di natura diversa, come biologia, �siologia, automazione, elettronica, �sica, informatica, matematica e meccanica, nonché materiedi natura umanistica, come letteratura e psicologia.La capacità di implementarle tutte, fa della robotica una scienza complessa, e a mio direa�ascinante.

Possiamo dire che la robotica coinvolge:-informatica (linguaggio di programmazione, comunicazione)-matematica (problem solving, analisi del moto)-scienze (moto)-tecnologia (fasi progettazione e realizzazione)-letteratura (letteratura fantascienti�ca, contestualizzazione storica)

Cosa sono i robot?Nel 1979 l’ istituto americano dei Robot dà una de�nizione di robot, ossia unostrumento programmabile e multifunzionale progettato per spostare materiali,componenti o attrezzi, attraverso vari movimenti programmati .A trent‘anni di distanza, questa de�nizione potrebbe essere considerata incompleta,dato che al giorno d’ oggi un robot è visto come uno strumento utilizzato in campo scienti�coe nell’ industria per prendere il posto di un essere umano.Non si limita più allo spostamento di attrezzi come a�ermava la de�nizione 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 lineeguida generali, magari usando processi di intelligenza arti�ciale.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 puòimmaginare a priori, altrimenti sarebbe semplicemente un automatismo.In ogni caso il termine “robot” è entrato in modo dirompente nel linguaggio comunee �nché non ci sarà una distinzione evidente tra le tipologie di automi, potrà essere usato come termine generico.

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Tutti i sistemi robotici possiedono dei sensori e degli attuatori, che permettono lorodi stabilire dei contatti con l’ambiente che li circonda.Sensore: dispositivo che trasforma una grandezza �sica che si vuole misurare, in unsegnale di natura diversa (tipicamente elettrico) più facilmente misurabile omemorizzabile.

Attuatore: dispositivo che converte dell'energia da una forma ad un'altra, in modo chequesta agisca nell'ambiente �sico al posto dell'uomo. Ossia qualsiasidispositivo utilizzato per azionare organi meccanici o per intervenire su circuitiidraulici in seguito a comandi ad esso inviati per mezzo di un sistema di controlloelettronico.

CaratteristicheEsistono delle caratteristiche che accomunano tutti i robot:• Programmabilità: capacità di elaborazione che il progettista può combinare come desidera a seconda dei compiti che vuol far svolgere alla macchina; • Mobilità: possibilità di interagire �sicamente con l’ambiente;• Flessibilità: capacità di esibire un comportamento adatto alla situazione;• Autonomia: possibilità di svolgere le proprie funzioni senza in�uenze o condizionamenti da parte di altri membri.

esempio difinecorsa elettromeccanico

Sensore diprossimitàper materiali metallici

Attuatorepneumatico

Attuatore elettrico

in contatto con la reltà

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Un po’ di storia

La robotica nasce dall’automazione, cioè la tecnologia necessaria per realizzare macchine in grado di sostituire uno o più attributi dell’uomo nell’e�ettuare un lavoro. Il termine automa, è una parola greca dal signi�cato di “colui che si muove da solo”.

L’automazione (o “meccanizzazione”) nacque in tempi antichi, dove vennero costruiti piccoli automi con il semplice scopo di intrattenere un pubblico, tentando di imitare la natura circostante.Tra il 400-350 a.C. il greco Archita di Taranto costruì una colomba volante messa in moto da un getto di vapore. Per un lungo periodo non si ebbe più documentazione, ma poi nel1206 ecco riapparire dei documenti : si tratta di progetto usato per una serie di automi umanoidi. Il progetto consisteva in una nave con quattro musicisti che galleggiava su un lago per intrattenere gli ospiti alle feste di corte.Il meccanismo aveva una batteria di percussioni programmabile con pistoncini (camme) che battevano su piccole leve che operavano lapercussione. Il suonatore di tamburi poteva eseguire di�erenti ritmi e di�erenti partiture se i pistoncini erano spostati.Ciò signi�ca che l’idea di costruire un individuo arti�ciale, dotato di movimento e autonomianelle proprie azioni, non è quindi degli ultimi secoli, né una conseguenza dello sviluppodell’informatica e della robotica.Leonardo da Vinci progettò un automa più complesso intorno al 1495: appunti riscoperti nel codice Atlantico e in piccoli taccuini tascabili databili intorno al 1495-1497 mostrano disegni dettagliati per un cavaliere meccanico in armatura, che era apparentemente in grado di alzarsiin piedi, agitare le braccia e muovere testa e mascella.

Riproduzione dell’automadi Leonardo

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Nei secoli successivi, dall’ingegno di molti artisti e scienziati, nacquero automi sempre piùcomplessi e stupefacenti. La Francia settecentesca fu la patria di questi ingegnosi giocattoli meccanici che sarebbero divenuti dei prototipi per i motori della rivoluzione industriale.In Cartesio si può riscontrare una attitudine nei confronti degli automi, quando egli suggerisce che i corpi degli animali sono nient'altro che complesse macchine: le ossa, i muscoli e gli organi potrebbero essere rimpiazzati da pulegge, pistoni e camme; ed ecco che Jacques de Vaucanson nel 1737 costruì un'anatra meccanica, l'anatra digeritrice, che dava l'illusione dinutrirsi e defecare, il che sembrava avvalorare le idee cartesiane che gli animali non sono altro che macchine biologiche. Furono poi inventati altri meccanismi, come quelli di Henri Maillardet in grado di scrivere poesie.

Automa diMaillardet:

era programmatoper scrivere

una poesia

Da allora se ne è fatta di strada in questo campo: sistemi ibridi complessi costituiti da vari sottosistemi quali computer (es. microcontrollori) opportunamente programmati tramite software, fanno da padroni nel panorama odierno.Possiamo vederli all’opera nell’industria cinematogra�ca: l'uso dei robot è applicato nella realizzazione degli e�etti speciali, realizzando macchine comandate (gli animatronic) che simulino al meglio la verosimiglianza dei movimenti (ad esempio lo squalo utilizzato nel �lm Lo squalo o i dinosauri di Jurassic Park).

Esempio di animatronic usato in Jurassic Park

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L’enorme sviluppo dei sistemi robotici e la loro sempre maggiore versatilità ( grazie all’elettronicasi sono ridotti notevolmente di dimensioni e costo), ci hanno permesso di ampliarne il campo di impiego: oggigiorno qualsiasi casalinga può avere il suo “robot spazzino”, o qualsiasi ragazzo può giocare con il suo “drone” telecomandato (aereomobile a pilotaggio remoto).

Notiamo come sempre più nella nostra vita sia presente la tecnologia, telefoni, tablet e computer,e spesso ci lamentiamo del fatto che siano �n troppo “partecipi” delle nostre giornate.Forse alla robotica è data un po’ meno importanza, ma anche lei sta lentamente prendendola sua parte nei i nostri passatempi, a lavoro, nella gestione della sicurezza.

esempio di “robot aspiratore”usato per le pulizie domestiche

drone telecomandato per riprese aeree

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Sempre più pattuglie della polizia stanno adottando i droni, dotati di telecamere per vigilaresulla sicurezza negli stadi, teatri e nelle manifestazioni locali; sempre più industrie ed ospedaliimpiegano sistemi automatici e braccia robotiche per compiti che una volta erano a�dati a persone.Ci stiamo forse avvicinado alle situazioni pericolose, ipotizzate dai romanzi di Asimov ?La sua paura fu quella che i robot potessero competere con l'uomo, ribellarsi o addirittura sterminarlo.Le macchine attualmente chiamate robot sono dei semplici meccanismi automatici, capaci di muoversi solo in base alle precise istruzioni fornitegli, ma presto ci troveremo di fronte ad un problema più consistente: l’ ambizione del genere umano di creare un uomo arti�ciale, che ci assomigli nel pensare e agire, secondo Asimov, ci sarebbe sfuggito di mano. Asimov stesso habasato molti dei suoi racconti e romanzi sull'applicabilità e su�cienza delle Tre Leggi. Le leggi che potrebbero o dovrebbero applicarsi ai robot in cooperazione o in competizione con gli esseri umani, hanno spinto però ad immaginare scenari, piuttosto realistici,di rivolta tra macchine e uomini.Nasce così l’Etica della Robotica, che si pre�gge di regolare lo sviluppo delle tecnologie applicate allarobotica.Esiste una distinzione, dove si catalogano i robot in “generazioni”:

Robot di prima generazione: Si de�niscono così, i robot in grado semplicemente di eseguire sequenze prestabilite di operazioni indipendentemente dalla presenza o dall'intervento dell'uomo, ad esempio i manipolatori industriali. Il Braccio Robotico Auriga è un esempio di manipolatore in miniatura.

Robot di seconda generazione: Questi robot hanno la capacità di costruire un'immagine (modello interno) del mondo esterno, di correggerla e perfezionarla continuamente. Sono in grado di scegliere la migliore strategia di controllo. Il robot di seconda generazione è in grado di �nire ciò che gli è stato programmato malgrado la presenza di fenomeni di disturbo non prevedibili a priori.

Etica della Robotica

Manipolatore industriale(robot di prima generazione)

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Robot di terza generazione: Hanno un'intelligenza arti�ciale. Questo robot è in grado di costruire nuovi algoritmi e di veri�carne la coerenza da solo.

Siamo ben distanti dal costruire un robot in grado di competere con la perfezione della macchinaumana, ma stiamo assistendo ad una progressiva a�ermazione dei sistemi automatici soprattuttonel settore industriale.Secondo alcuni studiosi del fenomeno, la de�nizione di automazione è da rivedere: l'automazione sarebbe una particolare tecnologia che permette di sostituire, mediante il controllo automatico dei processi, delle funzioni che dovrebbero appartenere all'uomo.Ed ecco che vediamo nelle industrie, interi capannoni dove la materia prima viene inserita in una“zona di carico”, e il prodotto �nito è recuperato in una “zona di scarico”. L’anomalia? Nessun essereumano.

Con lo sviluppo dei sistemi di automazione negli anni '50 e '60, gli studiosi iniziarono a interrogarsi sugli e�etti che l'automazione avrebbe avuto sull'occupazione, dal momento che molte aziende introducevano sistemi di fabbricazione automatica proprio per ridurre la manodopera. Altri ancora si interrogavano su quali sarebbero stati gli e�etti sulla quali�cazione, sulle competenze richieste, sulle condizioni di lavoro, sull'organizzazione delle imprese.Problemi che il genere umano si pose in quegli anni, ma che in fondo, assillavano il mondo interogià da tempo. Infatti, mezzo secolo prima, il premio Nobel per la Letteratura Luigi Pirandello,aveva ipotizzato la teoria della “Frantumazione dell’ io”, dove si avvertiva la spersonalizzazionedell’individuo, la sua perdita di identità, anche grazie all’avvento di macchine e all’esasperazionedel processo industriale a “catena di montaggio” inventato da Henry Ford negli Stati Uniti.

Esempio di robot di terza generazione, in grado dipensare autonomamente,

nel film “io Robot”trattodall’ omonimo romanzo

di asimov

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Catena di montaggioin una industriaautomobilistica

Gli stessi studosi, crearono una serie di tesi sull’avvento dell’ automazione nel panorama industriale,di cui io ne cito due, tra l’altro contrapposte:

-Tesi ottimistica: secondo questa tesi, l'automazione sarebbe una risorsa utile per liberare i lavoratori dai lavori faticosi, pericolosi o stupidi. L'automazione consentirebbe quindi di contrastare da una parte l'impoverimento e la banalizzazione del lavoro, dall'altra l'esistenza di lavori pesanti,faticosi e rischiosi. Benché l'automazione, anche secondo questa tesi, riduca e�ettivamente la quantità della manodopera, essa stimolerebbe comunque il ciclo dell'espansione dando vita a nuovi prodotti, nuovi mercati, nuove imprese e nuove professioni, e quindi a occupazione sostitutiva . Al contrario della tesi successiva, la tesi ottimistica prevede un incremento della quali�cazione dei lavoratori ma solo nelle mansioni di piani�cazione, programmazione e controllo.

-Tesi pessimistica: secondo questo modo di vedere, l'automazione e le nuove tecnologie provocherebbero disoccupazione, "polarizzazione", cioè la di�erenza tra pochi lavoratori"superquali�cati" e molti lavoratori dequali�cati nonché il cosiddetto taylorismo tecnologico. Inoltre, sempre secondo la tesi pessimistica, aumenterebbero le di�erenze tra i lavori di piani�cazione, controllo, ideazione e sviluppo e il lavoro di esecuzione. Da questa analisi deriverebbe quindi una diagnosi di una diminuzione dell'occupazione e di una dequali�cazione del lavoro degli operai e degli impiegati.

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Protagonisti del BoomAgli inizi del ‘900, il mondo intero si trovò di fronte ad un frenetico sviluppo industriale:ogni stato faceva a gara con i con�nanti per accaparrarsi le materie prime. Sono questi gli anni in cui gli Stati Uniti si a�ermarono come potenza mondiale, anche grazie alla catena di montaggio, ideata dall’ industriale Henry Ford che, grazie a questa, riuscì a fare dell’automobile una larghissima di�usione. Nel dopoguerra gli Stati Uniti ebbero un vero boom economico: dal 1922 al 1929 la produzione mondiale aumentò del 64%.

L’ idea di Ford, che presto avrebbe rivoluzionato il modo di pensare l’industria,si basava sul concetto di parcellizzazione del lavoro, ideato dall’ ingegnere americano Frederick Taylor. Taylor ipotizzò un incremento della produttivitàdegli operai nelle fabbriche, grazie alla divisione in “compiti” del processoproduttivo.Il singolo operaio, si trovava quindi a specializzarsi in un unico compito, migliorando in precisione e velocità.

Purtroppo l’idea di Taylor poteva funzionare solo per un breve periodo:questo modo di suddividere il processo produttivo di un certo prodottoappariva logorante e stressante per l’operaio, che presto presentava un decadimento nella qualità e precisione del suo operato.Ecco che Ford, pensò di sostituire gli operai, in quelli che erano i lavori più stancanti e ripetitivi, con dei sistemi automatici. Creò la catena di montaggio, che inizialmenteconsisteva in un nastro trasportatore che distribuiva i pezzi da un operaio all’altro, e permetteva ad ognuno di compiere una singola elementare operazione, in un tempo prestabilito, ottimizzando i tempi.

Presto le modi�che più elementari furono attuate da semplici (ai nostri occhi) macchine automatiche :foratrici a vapore o martelli che battevano una super�ce a tempi prestabiliti, dove il pezzo si sarebbetrovato per essere lavorato, il tutto con l’adeguata coordinazione.Nacque da qui il moderno sistema industriale, dove macchine e uomini lavorano �anco a �anco.

L’industriale Henry ford

Catena di montaggio:ogni operaio fa unasingola modifica al

pezzo

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Macchina che sfrutta il vapore per automatizzare un movimento

Ora i sistemi automatici, sono sempre più complessi ed e�cienti, riescono ad abbassare notevolmenteil prezzo dei prodotti �niti e velocizzano la produzione, rendendo ogni prodotto uguale al precedente.Si potrebbe riscontrare in questa evoluzione e “robotizzazione” dell’industria, la causa della sempremaggiore disoccupazione, della perdita di ”carattere” e unicità che un oggetto, prodottoartigianalmente, aveva nel passato.Sarà l’obiettivo del futuro, limitare la robotica e l’automazione ai soli compiti pericolosi, ripetitivi e logoranti ; questo ci permetterà di ridare valore agli oggetti che possediamo, e ad apprezzare l’operato di un abile artigiano od operaio.

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Pirandello e la

frammentazione dell’ioIl progresso industriale veri�catosi agli inizi del ‘900, creò un senso generale di euforia; si trattava di un periodo in cui chiunque poteva prendere parte della trasformazione economicae cambiare il suo modo di vivere anche radicalmente.Oltre agli aspetti postivi, si presentarono molti aspetti negativi, che gli individui più attenti e sensibili della società,poterono cogliere e criticare. Luigi Pirandello, arrivò ad elaborarela teoria della “frammentazione dell’io” , dove descriveval‘uomo come un individuo perso nella frenesia della società del tempo, non più capace di un rapportosicuro con la realtà; una realtà frenetica, mutabile, dove ognunoè un semplice tassello o addirittura, non è nessuno; come l’operaioanonimo che da il suo piccolo contributo ad un oggetto a sua volta anonimo, privo di personalità e carattere.Le cause di questa frammentazione sono da ricercarsi nella monopolizzazione del capitale, nell‘a�ermazione della grande industria e nell’ impiego massiccio di sistemi di produzione automatici nella stessa. L‘uomo era ridotto ad“insigni�cante rotella” di un macchinoso meccanismo, che lo privava di identità e sostanza,lasciandolo vuoto, nella sua “forma”.Da una presa di coscienza di questa realtà che a�iggeva l’occidentale del tempo, nasce l‘angoscia di essere un “nessuno”.Consiste anche in questo, il pessimismo pirandelliano, nel vedere la popolazione bloccata in gerarchie, vittime di lavori monotoni e frustranti, in “trappola”.

E’ un problema che a�igge anche la società d’oggi, dove l’uomo è spinto ad essere parte di una “rete” , che gli chiede di comportarsi secondo canoni prestabiliti, regole che qualcun altro ha deciso, una “forma” che qualcuno ci propone o impone.Questo ci fa perdere la nostra individualità, e siamo spinti sempre più ad essere patecipi direttamente non più solo alla vita del nostro paese, ma alle vicende del mondo.Tutto ciò sminuisce l’uomo e le sue radici, le sue certezze: non ha più nulla di sicuro, di vero su cui basarsi, dato che le variabili in gioco sono troppe e la realtà che queste compongono, risulta troppo labile e sfuggente.Viviamo in internet, stando ore davanti al computer, eppure ci de�niamo “social”; usciamo congli amici, ma il nostro sguardo è �sso sullo smartphone.

Che sia questo processo di “massi�cazione”, la prima arma che la tecnologia sta usando per soverchiarci?

Luigi Pirandello

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I robot industriali

L’ automazione industriale è l’ insieme delle tecnologie rivolte ad utilizzare sistemi meccanici, elettronici ed informatici per il controllo e la produzione nell’ industria, in modo da sostituire l’ operatore umano, non solo per l’ esecuzione materiale delle operazioni, ma anche per l’ elaborazione intelligente delle informazioni.L’ automazione industriale si divide in automazione rigida, impiegata perelevatissimi ritmi di produzione e caratterizzata da una scarsa o nulla possibilità diriprogrammazione, e automazione programmabile, rappresentata da piccoli e medivolumi di produzione e possibilità di riprogrammazione, automazione �essibile checomprende macchinari che possono essere utilizzati in diverse lavorazioni conmodesti cambiamenti.Il robot industriale si compone di una struttura meccanica con attuatori e sensori e un’unità di governo.Esempi di impiego della robotica industriale:

Da: “Introduzione alla Robotica industriale” Politecnico di Milano

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Braccio robotico Auriga

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 speci�ci attraverso movimenti programmati variabili, per l’ esecuzione di una varietà di compiti.Il manipolatore è costituito da :

• una struttura meccanica che consiste in una serie di corpi rigidi ( bracci ) interconnessi tra loro per mezzo di articolazioni ( giunti ); nel manipolatore si individuano una struttura portante che ne assicura la mobilità, un polso, che conferisce destrezza e un organo terminale cheesegue il compito per cui il robot è utilizzato ( pinze per lo spostamento di oggetti, saldatore pere�ettuare operazioni di saldatura, ecc. ), detto anche gripper.

Struttura meccanicadi Auriga

i tre gripper di Auriga:uno per la scrittura, e

due per la manipolazione di oggetti

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Polso

Gomito

Spalla

Base

Giunti

Braccio

Braccio

Flangia

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• attuatori che imprimono al manipolatore il movimento attraverso l’azionamento dei giunti; solitamente si utilizzano motori elettrici, idraulici e talvolta pneumatici;nel caso di Auriga, si tratta di servocomandi elettrici.

tipico servocomando rccon squadretta in plastica

I servocomandi, o più semplicemente servo, sono molto usati nel modellismo e nella robotica amatoriale. Si tratta di piccoli dispositivi, generalmente contenuti in uno scatolotto dimateriale plastico, muniti di un motorino in corrente continua a magneti permanenti, una serie di ingranaggi di riduzione e circuiteria. Sono anche noti come servocomandi RC, perchè generalmente utilizzati in abbinamento alle riceventi dei RadioComandi. Più che altro la denominazione di “Servocomandi RC” assicura che i servo funzionino seguendo un preciso standard di comunicazione.Dal corpo di un servocomando fuoriesce un perno di rotazione, al quale possono essere �ssate, mediante un incastro zigrinato e una vite centrale, le cosiddette “squadrette” , di varie forme, materiali e dimensioni e che servono per collegare il servocomando al dispositivo che esso dovrà “muovere”.Il perno di rotazione è in grado di e�ettuare un’escursione minima garantita di 90°, ma in genere si arriva tranquillamente a 180°. Il servo ha una posizione centrale e può ruotare di 45° (o 90°) a destra e 45° (o 90°) a sinistra.I servocomandi, a dispetto delle loro ridotte dimensioni, grazie a sistemi di riduzione ad ingranaggi più o meno so�sticati, hanno delle forze torcenti spaventose e sono in grado di spostare diversi Kg.Un’altra peculiarità è quella di mantenere la posizione: una volta “detto” al servocomando di ruotare di un certo numero di gradi, e se tale comando viene inviato di continuo, rimarrà in quella posizione trattenendo il carico a cui è collegato.

Nel caso di Auriga, sono stati usati :

-Due servo da 13 Kg/cm, angolo di rotazione 180°, uno per il gripper grande, e uno per larotazione della base del braccio.-Due servo da 40 Kg/cm, angolo di rotazione 2160°, uno per la movimentazione della spalla, e uno per il gomito.-un servo da 4 Kg/cm, angolo di rotazione 180°, per la rotazione del polso.-un servo da 4 Kg/cm, angolo di rotazione 90°, per la movimentazione del gripper piccolo.-un servo da 8 Kg/cm, angolo di rotazione 180°, per la movimentazione del polso.

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• sensori che misurano lo stato del manipolatore ( sensori propriocettivi ) ed eventualmente lo stato dell’ ambiente ( sensori eterocettivi ): nel caso di Auriga, sono sensori propriocettivi di posizione, costituiti da potenziometri coassiali all’asse dei servi Rc, che tramite un feedback con la scheda alimentazione e segnale di Auriga, sono in grado di stabilirne la posizione istante per istante, e correggere il movimento.

• una unità di governo (calcolatore) con funzioni di controllo e supervisione deimovimenti del manipolatore.Nel nostro caso, si tratta di una scheda Mini Maestro servo controller della Pololu.

Mini Maestro Servo controllerpololu, 12 canali

Si tratta di una scheda, basata sul PIC 18F4550,che gestisce 12 canali con segnali digitali ed analogici.Oltre a dei servocomandi, è in grado di gestire dei sensori in ingressoe altri tipi di attuatori in uscita.Tramite l’interfaccia Usb è possibile collegarla al pc dove è possibile,tramite il programma Control Center Maestro, programmarla per le funzioni più disparate.Per controllare un servo, la scheda invia un segnale di comando, costituito da un’onda quadrainviata ripetutamente. Il segnale fatto in questo modo deve essere inviato di continuo se si vuole che il servocomando, sotto sforzo, mantenga la posizione desiderata.

Interfaccia grafica di maestroControl Center

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Questo tipo di schede sono sempre più famose ed utilizzate tra chi si occupa di innovazione,tanto che si è creata una tipologia di “inventori” detti Makers, caratterizzati dall’utilizzo sempre piùgeniale di queste schede, per la prototipazione e la creazione di piccole invenzioni e sistemi dicontrollo a basso budget.I Makers, o “artigiani digitali” , sono appassionati che inventano e sviluppano sistemi, robot, droni emolto altro, tra le mura di casa, tramite l’utilizzo delle conoscenze che abbracciano la robotica.La scheda programmabile più famosa, è l’italiana Arduino, che è anche la più usata per la costruzione artigianale di stampanti 3D.

Stampante 3D artigianale comandata tramite arduino

Arduino Uno

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Software

Il software che gestisce la scheda, si basa sul linguaggio C#.E’ possibile creare una sequenza di operazioni o una serie di movimentazioni per i servi tramitela programmazione con questo linguaggio.E’ inoltre possibile programmare la scheda con il programma proprietario, e comandarlain tempo reale tramite il mouse e il Maestro Control Center.

Programma per l’accensione intermittente di un Led

# Blinks the red LED once per second.begin led_on 100 delay led_o� 900 delayrepeat

Usare un ingresso analogico per controllare un servo

# Set the servo to 4000, 6000, or 8000 depending on an analog input.begin 1 get_position dup 300 less_than if 4000 else dup 600 less_than if 6000 else 8000 endif endif 0 servo drop repeat

Progetto:D

isegno:D

ata:

Progettista:

Foglio:1

1(+)

2(-)

+-

Eth

AB

CD

EF

AB

CD

EF

Collegam

ento a foglio 2: Servo Controller

+-5V_D

C

5V_DC

Collegam

ento a foglio 3 : Scheda Controller rem

oto

16/04/2014

Alimentazione servocom

andi

Cavo 8 conduttori

R

R

Led segnalazione : alim. servi O

n/Off

cooler system

Schedaalim

entazione e segnaleD

i:3Auriga

Robotic Arm

LucaLivotto

Legenda :

Segnale

+5V D.c.

0 V D.c.

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remote controllerE’ stato costruito un contoller, una sorta di telecomando, in grado di comandare i servoa distanza. Esso è costituito da una scheda, dei potenziometri, uno switch, delle resistenzee una porta ethernet, utilizzata per sfruttare gli 8 pin che caratterizzano queste porte.Il controller è collegato a 6 dei 12 ingressi del Maestro, e manda dei segnali analogici,prelevati dai 6 potenziometri.Tramite questo dispositivo e un programma scritto appositamente per Auriga, è possibile comandare in tempo reale il braccio robotico, tramite il controller.

Controller remoto di auriga

costruzione della scheda

Collegamento del controllercon la scheda di gestione

dati e alimetazione

Progetto:D

isegno:D

ata:

Progettista:

Foglio:1

1(+)

2(-)

+-

Eth

AB

CD

EF

AB

CD

EF

Collegam

ento a foglio 2: Servo Controller

+-5V_D

C

5V_DC

Collegam

ento a foglio 3 : Scheda Controller rem

oto

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Alimentazione servocom

andi

Cavo 8 conduttori

R

R

Led segnalazione : alim. servi O

n/Off

cooler system

Schedaalim

entazione e segnaleD

i:3Auriga

Robotic Arm

LucaLivotto

Legenda :

Segnale

+5V D.c.

0 V D.c.

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Scheda di gestionedati e alimentazione

Una volta costruito il controller, c’è stato bisogno di creare una basetta dove ci fosse il circuito di controllo e quello di alimentazione dell’intero sistema.

Sostanzialmente si tratta del “cervello” di Auriga. Consiste in una basetta dove abbiamo due diversicircuiti di alimentazione, entrambi a 5V, uno che alimenta il controller e uno che alimenta i servocomandi. Tale accorgimento è stato usato per il semplice motivo che i servi, a pieno regime,possono assorbire anche 1A di corrente ciascuno, con signi�cativi sbalzi di corrente sulla linea;mentre il controller assorbe molto poco, ed in più necessita di erogare un segnale “pulito”.Questi accorgimenti sono stati utilizzati dopo una serie di test, e�ettuati in fase di progettazione delcontroller.

Scheda alimentazionee dati di auriga

test sulla scheda

Sulla scheda è presente inoltre un circuito per il ra�reddamento; la porta ethernet che riceve il segnale dal controller; uno switch per il circuito di alimentazione servi; la scheda pololu con la porta Usb di interfaccia con il pc.

EthCavo 8 fili

1(+)

Potenziometro

Progetto:D

isegno:D

ata:

Progettista:

Foglio:39/05/2014

Scheda Controller

Di:3

AurigaR

obotic ArmLuca

Livotto

Collegam

ento a foglio 1 : Scheda Alimentazione e segnale

2(-)

R

R

Led segnalazionescheda on/off

Legenda :

Segnale

+5V D.c.

0 V D.c.

AB

CD

EF

RR

RR

RR

Prog

etto

:D

iseg

no:

Dat

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Prog

ettis

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Fogl

io: 2

10/0

5/20

14Sc

heda

12

Ch

Polo

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i:

3Au

riga

Rob

otic

Arm

Luca

Livo

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Lege

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:

Segn

ale

+5V

D.c

.

0 V

D.c

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Serv

o co

ntro

ller (

vist

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Usb

per

inte

rfacc

ia p

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+5V

_DC

-

Collegamento a foglio 1: Scheda alimentazione e segnale

Cav

i ser

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Serv

o 1

Serv

o 2

Serv

o 3

Serv

o 4

Serv

o 5

Serv

o 6

A B C D E F

Col

lega

men

to a

Pc

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ventola perra�reddamentoscheda

Alimentazione

Connessione controller remotoScheda Pololuservo controller

Led segnalazione di tensione ai servi

Switch

alimentatoreL’alimentatore del braccio robotico Auriga, è stato recuperato da un vecchio pc. E’ particolarmente adattoa questo tipo di impiego, perchè è in grado di erogare correnti elevate (dell’ordine di qualche ampere) puravendo basse tensioni in uscita: può così erogare tranquillamente la corrente richiesta dai servocomandi.In più presenta il vantaggio di separare i circuiti di alimentazione.

Alimentatore

Tengo a precisare che per la costruzione del braccio robotico, sono stati usati pezzi di recupero:il pannello di legno multistrato con cui è costruito era di un armadietto; l’alimentatore, di un pc,come la ventola e i componenti della basetta;la �angia e gli ingranaggi sono di una vecchia stampante; i cuscinetti del gomito sono statirecuperati da vecchi pattini; i cavi di collegamento provengono da vecchi elettrodomestici;il cuscinetto alla base del robot, è stato preso da un vecchio hard disk.gli unici acquisti e�ettuati sono stati i servocomandi, la scheda Maestro della Pololu e qualche potenziometro.

EthCavo 8 fili

1(+)

Potenziometro

Progetto:D

isegno:D

ata:

Progettista:

Foglio:39/05/2014

Scheda Controller

Di:3

AurigaR

obotic ArmLuca

Livotto

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ento a foglio 1 : Scheda Alimentazione e segnale

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Led segnalazionescheda on/off

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Segnale

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Collegamento a foglio 1: Scheda alimentazione e segnale

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Serv

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Serv

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Pc

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ProgettazioneL’idea originale era partita guardando qualche video su internet, ma purtroppo i progetti da cui volevo prendere spunto o presentavano grossi problemi di natura tecnico-pratica ( si muovevanoa scatti, erano troppo so�sticati...) o presentavano spese piuttosto ingenti.Così ho deciso di creare un progetto da zero, ispirandomi ad un braccio robotico su cui ho potutolavorare durante la mia esperienza lavorativa estiva.

Robot pallettizzatore

Si tratta di un robot pallettizzatore, che dispone la merce sui bancali di legno, o esegue spostamentidi oggetti. La particolarità, è che mantiene la �angia sempre perpendicolare al terreno.

Ho dovuto risolvere una serie di problemi di natura tecnica, tra il quale il peso notevole dei servolungo il braccio.Ecco perchè ho deciso di porli tutti alla base del robot, e trasmettere il moto tramitedelle sta�e in alluminio.Ho dovuto inserire degli ingranaggi, per moltiplicare il momento torcente applicato nei vari giuntie sopperire alla scarsa sensibilità dei servi nei movimenti.In più avevo in mente di aggiungere delle movimentazioni, come la rotazione del polso e la sua inclinazione. Dopo delle veri�che al progetto, è stato possibile inserire queste varianti.

I pezzi dei bracci sono stati progettati dal sottoscritto prima sul cartaceo, successivamente con Autocad, come i circuiti di controllo e il controller remoto. I gripper sono stati adattati in forma e misura alle esigenze del progetto, i disegni originali sono di Jjshortcut (che ringrazio).

Progettazione di auriga

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Calcoli sullacombinazione degli

ingranaggi

progettazione di auriga con autocad

Arrivo dei pezzi daltaglio al laser

26

costruzioneAlcuni momenti della costruzione del braccio.

installazione degli ingranaggi

braccio porta testina di un hard disk

Flangia costituita dall’albero motoree cuscinetto di un motore a c.c.montata su una staffa piegata

dettaglio della base

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cablaggi

progetto auriga robotic arm: ultimato

AurigARobotic Arm

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Problemi riscontrati

La progettazione e realizzazione del progetto, sono stati per me una vera e propria s�da:ad ogni nuova modi�ca per risolvere un problema, se ne presentava come minimo un altro.Ho dovuto prima di tutto “rinforzare” un po’ le mie basi di elettronica, scegliere soluzioniintelligenti per risparmiare il più possibile dove si poteva, a�rontare problemi di naturatecnica ( calcolare le posizioni dei pezzi perchè non entrassero in collisione, scelta di materialileggeri, alleggerimento della struttura e sfruttamento degli spazi), creando una sorta di prototipo.La cosa più di�cile è stato creare un’ idea di base e rispettarla, dato che i pezzi derivano damateriale di recupero che reperivo man mano, quindi le idee sul da farsi subivano continuemodi�che.

Fonti:- www.youtube.it-it.wikipedia.org-www.thingiverse.com-www.isaacasimov.it-Make magazine

Programmi utilizzati:-Adobe illustrator-Adobe photoshop-Maestro control center-Autocad 2015

“ C o n � d o i n u n a c o n v i v e n z a p a c i � c a t r a u o m o e m a c c h i n a . Fa t i c o a c r e d e r e c h e q u a l c o s a d i c o s ì c o m p l e s s o e s t r a o r d i n a r i o

p o s s a r e c a r e d a n n o a l g e n e r e u m a n o, m a d ’a l t r o n d e ,n o i u o m i n i s i a m o a b i l i a f a r e d a n n i ”

Progetto:D

isegno:D

ata:

Progettista:

Foglio:1

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ento a foglio 2: Servo Controller

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Alimentazione servocom

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Cavo 8 conduttori

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i:3Auriga

Robotic Arm

LucaLivotto

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Progetto:D

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Alimentazione servocom

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Led segnalazione : alim. servi O

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i:3Auriga

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EthCavo 8 fili

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Potenziometro

Progetto:D

isegno:D

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Foglio:39/05/2014

Scheda Controller

Di:3

AurigaR

obotic ArmLuca

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ento a foglio 1 : Scheda Alimentazione e segnale

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Progetto:D

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Foglio:39/05/2014

Scheda Controller

Di:3

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ento a foglio 1 : Scheda Alimentazione e segnale

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