Il kit Robot NIBO Burger

Il Kit NIBO Burger è un robot liberamente programmabile attraverso l'utilizzo di sensori IR e il controller ATmega16 AVR. Il kit funziona in stand alone per mezzo di batterie opportunamente ricaricabili attraverso la porta USB. Nel progetto è integrato (sul lato superiore della scheda) uno slot per le Shield Arduino, quali moduli transceiver e gps. Il sistema kit contiene 7 sensori brick collegati nei rispettivi slot, di cui 3 per la rilevazione di differenti colori e 4 per la rilevazione di oggetti per mezzo della tecnica ad infrarossi. Il sistema prevede due versioni di assemblaggio in base al rapporto di trasmissione degli ingranaggi: 25: 1 di rapporto di trasmissione che consente la guida ad alta velocità, 125:1 di rapporto di trasmissione che consente una elevata precisione di guida.

Introduzione

La progettazione di un robot richiede molto equilibrio tra le varie parti in gioco: le dimensioni, la potenza del motore e l'alimentazione stand alone con le batterie. Questi principali elementi sono le basi di un perfetto robot e la loro combinazione è frutto di un attento design. Maggiore è la durata/corrente della batteria, maggiore sarà il peso del robot e quindi i motori dovranno necessariamente essere dotati di una sufficiente potenza per azionare i movimenti, il tutto come è facile immaginare si ripercuote sui costi. L'utilizzo di materiali leggeri fa diminuire in modo significativo il peso ( alluminio anziché in acciaio per esempio). Nello stesso tempo l'utilizzo di una elettronica flessibile e riprogrammabile, facilita non solo la didattica per chi vuole imparare la robotica, ma esalta tutta una serie di azioni legate solo alla fantasia e quindi alla tecnica di programmazione. Nel kit NIBO lo slot per le Shield di Arduino permette di inserire tante soluzioni commerciali per espandere il robot e renderlo altamente professionale: immaginiamo di disporre il robot con un microfono affinchè possa distinguere i suoni, e un altoparlante affinchè possa "esprimere i propri sentimenti" con l'ambiente circostante attraverso la sua voce.

Caratteristiche

Il kit robot NIBO Burger ha dimensioni dell'ordine dei 108 mm x 126 mm x 58 mm con un peso di 295 grammi (batterie comprese). Le batterie sono costituite da 4 Micro AAA con 1,2 V ciascuna. L'alimentazione disponibile è di 4,8 V e 3,3 V per mezzo di regolatori opportuni. Le caratteristiche principali possono essere riassunte nei seguenti punti:

ATmega16 (16 kB Flash, 1 kB SRAM, 15 MHz).
ATtiny44 per controllare il USB-programmer integrato.
USB-programmer.
4 LED di codifica.
3 status LED.
3 colour sensor bricks.
4 IR-sensor bricks.
10 sensor slots per i sensor bricks.
3 pulsanti liberatemente programmabili.
2 sensori di odometria.
Motori con rapporto di trasmissione 125:1 e 25:1.
Jumper per il controllo motore.
Porte I2C e UART.
Libreria Open source.
Footprint per ARDUINO shields.
Programmazione via Arduino IDE o AVR Studio

Il jumper per il controllo motore è necessario per l'amplificazione di corrente e per la regolazione della tensione dei segnali del microcontrollore (Figura 1). Il funzionamento in cortocircuito (freewheel) migliora l'utilizzo dell'energia con la tecnica PWM-control.

Figura 1: Motor bridge

I motori sono azionati da un H-bridge con un segnale PWM da 14,7 kHz. Il segnale PWM può essere regolato dai sensori di odometria, con la possibilità di guidare i motori con velocità costante. Il verso di rotazione viene gestito da 4 componenti (due fototransistori e due LED IR) posizionati sulle ruote dentate della trasmissione, nello stesso modo viene gestita anche la velocità di rotazione direttamente proporzionale alla frequenza del segnale. L'odometria è la tecnica che fa uso di sensori di movimento per stimare il cambiamento di posizione nel tempo. Quasi tutti i robot utilizzano questa tecnica per stimare la posizione rispetto ad una di partenza. Questo metodo è sensibile ad errori dovuti alla integrazione di misure di velocità nel tempo per fornire stime di posizione. (Figura 2).

Figura 2: Ruote dentate

Il Robot è dotato di 4 sensori IR per la rilevazione di oggetti e ostacoli. Ogni sensore non è nient'altro che un fototransistor IR e un LED IR: in questo modo il fattore di riflessione può essere misurato e nello stesso tempo interpretato. Con i 10 slot è possibile combinare diverse configurazioni, inserendo per esempio due sensori avanti e due dietro come "sensori di parcheggio", oppure verso il pavimento per analizzare il fondo di cammino del robot. Il robot può essere collegato ad un PC dall'interfaccia USB per la relativa programmazione del software. E' possibile inoltre ricaricare per mezzo del bus USB le batterie ricaricabili del robot (Figura 3).

Fiugra 2: Vista frontale del robot, in primo piano la porta USB

Figura 3: Vista frontale del robot, in primo piano la porta USB

Un manuale di costruzione con molte illustrazioni spiega l'assemblaggio e la fase di saldatura necessaria per poter implementare in maniera adeguata il robot. La guida illustra anche le strumentazioni e tecniche di saldatura per non danneggiare i componenti elettronici (Figura 4 e 5). La libreria open-source NiboRoboLib implementa le funzioni base di gestione, a cominciare dai motori fino ai sensori IR.

Figura 4: La scheda PCB in fase di montaggio

Figura 5: Il kit robot NIBO Burger. In primo piano i sensori bricks

Conclusioni e considerazioni

Il kit Robot comprende oltre alla componentistica e il manuale di costruzione, anche un ottimo reference design per una rapida introduzione al campo della robotica, al fine di consentire la programmazione e il controllo dell'ingegneria con una facile strumentazione open source. Si può facilmente iniziare a programmare con il tutorial interattivo Nibo Burger Coding, oltre che direttamente da Arduino IDE. Si guida l'utente attraverso tutte le funzioni del robot e nello stesso tempo si impara la programmazione. Inoltre si ha la possibilità di programmare Nibo on-line su piattaforma Roboter.CC. Roboter.CC è una piattaforma open-source per creare i propri progetti robotici, gestirli e compilarli. Tutti i progetti sono compilati on-line su Roboter.CC senza installare un ambiente di programmazione locale. La community (così come quella di Arduino) facilita la condivisione delle idee e progetti, verificando nello stesso tempo esempi di programmi esistenti.