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CAPITOLO 1:
DESCRIZIONE DELL’ARTEFATTO E DEL SUO
FUNZIONAMENTO
Di seguito vengono descritte le varie parti che compongono il robot sviluppato dal laboratorio CRIM della Scuola Superiore Sant’Anna e i principi di funzionamento base del dispositivo.
1.1: LA LAMPREDA ARTIFICIALE, GENERALITÀ
Il prototipo è costituito da: una testa, nella quale è inserita la telecamera (che comanda la visione); 19 vertebre, di cui 6 motorizzate attive, 10 passive (come vedremo meglio in seguito), 3 destinate ad ospitare le batterie e una coda. Una tipica sequenza delle vertebre è: (testa), pas.,att.,pass., att.,pass., att., pass.,bat.,pass., att., pass., bat., pass., att., pass., bat., pass., att., pass., coda. Lungo tutto l’asse del robot, a collegare vertebre adiacenti, ci sono tre fili metallici in acciaio armonico di 0,6 mm di diametro (elemento elestico del sistema: notocorda). Nelle vertebre numero quattro, dieci e quattordici, contando dalla testa, sono inserite le schede di controllo (ognuna controlla due attuatori), alimentate, come la telecamera e i motori, dalle tre batterie. L’artefatto è lungo 810 mm, e ha una diametro di 54.5 mm. Si possono raggiungere momenti flettenti di 380 mNm e forze fra le vertebre di 15 N.
Ogni vertebra è formata da un corpo polimerico ottenuto per prototipazione rapida, due magneti permanenti e un servomotore (se si tratta di una vertebra attiva), ovvero senza motore se si tratta di una vertebra passiva. Come vedremo meglio in seguito, durante la descrizione della singola unità funzionale, il sistema di attuazione del robot si basa sull’interazione magnetica fra i due magneti affacciati, orientati grazie all’azione del servomotore. Tale sistema è molto innovativo, di tipo muscle-like, e ha portato anche allo sviluppo di un brevetto(patent no. FI2008A000150).
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Figura 5: Rappresentazione schematica della lampreda artificiale.
1.2: PANORAMICA DELLE COMPONENTI HARDWARE
Nei prossimi paragrafi descriviamo l’architettura hardware che soddisfa i requisiti di controllo prefissi dal progetto, in seguito presenteremo lo stato di sviluppo attuale. Ricordiamo che essendo un progetto in via di sviluppo non è possibile tenere perfettamente aggiornate questa, come altre sessioni della tesi, che ha tempi di sviluppo assai diversi.
Il sistema ha due modalità di funzionamento secondo l’operazione da svolgere. In modalità automatica il robot opera in accordo con le informazioni sensoriali e le capacità computazionali della scheda. Queste decisioni saranno guidate dal sistema di visione, che è in grado anche di analizzare l’immagine, e dai vari sensori distribuiti lungo tutta la struttura, generando i segnali di alto livello per il controllo della coordinazione.
La possibilità di esplorare comportamenti più complessi, che richiedono molta più memoria e potenza computazionale, sarà disponibile in modalità tele-operata. In questo caso i segnali di alto livello saranno generati da una stazione fissa esterna al robot, permettendo: capacità di analisi dell’immagine superiore, arricchimento del range di comportamenti, maggior disponibilità di memoria, che, in fase di analisi dei dati, garantisce una caratterizzazione più dettagliata del movimento.
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Figura 6: Descrizione grafica generale del sistema ed elementi base. La comunicazione con l’artefatto per scambio di dati e parametri di controllo è realizzata grazie a segnali radio a bassa frequenza, mentre per i segnali video si usa una comunicazione per fasci luminosi con un veicolo di accompagnamento. Un'altra stazione ricarica le batterie in modalità senza fili (wireless).
Il sistema è caratterizzato da una comunicazione a tre livelli. Nel primo viene usato un canale locale I2C che attua la comunicazione fra l’unità di controllo di un singolo segmento con i suoi vicini. Nel secondo livello il canale globale (si usa uno standard CAN per la sua robustezza a interferenze elettromagnetiche) permette la comunicazione fra tutti i segmenti, i segnali percorreranno, in entrambe le direzioni, la “spina dorsale” dell’artefatto. Il terzo e ultimo livello è responsabile della comunicazione tra il robot e la stazione fissa. Questa comprende i segnali di controllo e quelli di feedback provenienti dai sensori e dalla videocamera. In accordo con la banda necessaria si utilizzano tre mezzi diversi. I segnali video che hanno una larghezza di banda maggiore vengono prima mandati tramite radiazioni luminose alla stazione mobile che si trova sopra il robot, poi spediti da questa alla stazione fissa utilizzando onde radio ad alta frequenza. Questo passaggio è reso necessario dall’alto assorbimento delle onde radio ad alta frequenza da parte dell’acqua durante il moto dell’artefatto. I segnali di controllo e i dati di feedback sono trasmessi direttamente dalla lampreda artificiale usando onde radio a bassa frequenza, che hanno mostrato, invece, un assorbimento più basso.
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In entrambe le modalità, autonoma e tele-operata, il robot è fornito delle proprie batterie, che garantiscono un’autonomia di circa un’ora. Un approccio conveniente per quanto riguarda la ricarica è stato individuato nell’uso di una stazione di ricarica wireless. Infatti, in questo caso, si evitano tutti i problemi d’impermeabilità, oltre a rendere l’operazione veloce e semplice da un punto di vista d’intervento umano. Infine la procedura può essere resa interamente autonoma usando appropriate sensorizzazioni.
1.2.1: SINGOLO SEGMENTO
La progettazione del singolo segmento deve rispettare i concetti di modularità e indipendenza.
Il controllo del singolo segmento, in figura 6, è diviso in tre parti. Il controllo di alto livello è implementato nel microcontrollore ARM, che consente alte capacità computazionali unite a bassi consumi. Una buona scelta è il modello NXPLPC2129: microcontrollore RISC a 32-bit, 16 kB di RAM, 256 kB di memoria flash sul cip, due UART, interfaccia seriale I2C, sei uscite per il PWM, ADC a quattro canali e 10 bit, due canali CAN e una frequenza di clock superiore ai 60 MHz. Il controllo di basso livello è affidato a due microcontrollori PIC. Si usa il PIC16 che è un microcontrollore a 8 bit, con 256 bytes di memoria EEPROM, cinque canali A/D da 10-bit e due funzioni PWM, e il PIC18 che è dotato di un modulo CAN e una modalità di risparmio energetico. Il primo è dedicato agli attuatori e implementa un controllo PD. Il secondo elabora i dati in ingesso e manda le informazioni per il controllo di alto livello al microcontrollore ARM per mezzo dell’I2C.
Il blocco di controllo dell’energia ha il compito di proteggere, monitorare, caricare la batteria e attivare o disattivare le componenti. Per quanto riguarda la protezione è presente un dispositivo che disconnette la batteria quando si va sotto una certa soglia di sicurezza.
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Figura 7: Architettura del singolo segmento. Il controllo di alto livello è implementato nel microcontrollore ARM, che è anche un nodo del canale dati globale. Due controllori PIC sono responsabili dell’elaborazione del segnale dei sensori e del controllo di basso livello degli attuatori. Ogni segmento ha la propria batteria, che viene caricata dalla power-line comune, controllato dal blocco relativo.
1.2.2: LA “TESTA”
Rispetto all’architettura del singolo segmento la testa è molto più complessa e dotata di potenzialità maggiori.
Per aumentare il potere computazionale è stato scelto un altro modello di microcontrollore ARM il NXPLPC2919 con 48 kB di RAM, 768 kB di memoria flash ROM sul cip, frequenza di clock intorno agli 80 MHz, due ADC a otto canali e 10 bit, quattro PWM a sei canali, due UART e un’unità PMU (Power Management unit). Questa guiderà il controllo di alto livello della locomozione. Sarà il master del bus CAN e garantirà la comunicazione a radio frequenza con la stazione fissa. È anche responsabile dell’amministrazione della memoria e del salvataggio dei dati. Il peso computazionale sarà diviso con un FPGA, che processerà i segnali video provenienti dalla videocamera e, in modalità tele-operata, invierà i segnali pre-processati alla stazione mobile tramite radiazione luminosa.
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Figura 8: Architettura della testa. L’unità di controllo è responsabile della generazione dei segnali di alto livello. L’unità di comunicazione rappresenta l’apparato fisico incaricato della trasmissione del segnale radio, del segnale luminoso e della comunicazione via CAN con gli altri segmenti. La ricarica wireless della batteria è gestita dall’apposita unità (Power Units). Il segnale video è generato dalla videocamera e processato nella FPGA. Tutti i dati temporanei o permanenti sono salvati rispettivamente nella memoria RAM e FLASH dell’apposita unità.
La videocamera è dotata di motori che ne orientano la vista. Questi sono controllati da microcontrollori PIC, in accordo con i segnali sensoriali in ingresso. Oltre ai sensori presenti anche sul resto del corpo, la testa è dotata anche di un sensore inerziale.
Come già detto, la comunicazione con l’esterno è attuata sia per onde radio a bassa frequenza sia per luce blu, che garantisce un basso assorbimento e una banda larga a differenza delle onde sonore.
1.2.3: SCHEDE DI CONTROLLO ATTUALMENTE SVILUPPATE
La piattaforma robotica è fornita di schede di controllo che incorporano i modelli neuro-fisiologici. Il sistema è composto di quattro circuiti nella testa per: controllo di alto livello, amministrazione della potenza, comunicazioni varie; e da una scheda di controllo di basso livello per i segmenti, ognuna delle quali è in grado di gestire due vertebre del robot.
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Figura 9: Assemblaggio dei componenti presenti nella testa
Nella testa ci sono i seguenti componenti elettronici, descritte in dettaglio successivamente: scheda di controllo di alto livello per la coordinazione (Head board), sensore d’inerzia (MAG3), scheda che implementa il riflesso oculo-vestibolare (VOR board), scheda di controllo della singola vertebra (Segment board), videocamera, sistema di ricarica della batteria.
Head Board
Figura10: Head Board, gestisce la comunicazione e controlla i segment boards.
Come detto implementa il controllo di alto livello in accordo con il modello CPG, coordinando in particolare tutti i segment board.
La scheda ha le seguenti caratteristiche: SPI (Serial Program Interface) adatto ai segnali provenienti dalla VOR board, canali CAN per la comunicazione con le
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vertebre a 1 Mb/s, NTC (Neagative Thermal Coefficent) per il monitoraggio della temperatura, contatto REED per permettere l’accensione tramite magnete esterno.
SCHEDA DI ACQUISIZIONE SENSORE INERZIALE
Figura 11: Scheda di acquisizione del sensore d’inerzia, converte il segnale per il VOR board.
Ha il compito di ricevere i segnali analogici provenienti dal sensore d’inerzia, convertirli e spedirli al VOR board. La scheda ha le seguenti caratteristiche: convertitore analogico digitale di tutti i segnali MAG3 (la conversione è basata su quattro convertitori in parallelo, su 12 bit, alla frequenza di 200 Hz), SPI per la comunicazione con la VOR board, NTC per il monitoraggio della temperatura.
VOR (VESTIBULAR OCULAR REFLEX) BOARD
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La funzione di questa scheda è quella di elaborare i segnali provenienti dalla scheda descritta precedentemente e implementare il riflesso fisiologico spedendo i risultati alla Head board. Le caratteristiche di questo dispositivo sono le seguenti: due SPI per comunicare sia con la scheda di acquisizione del sensore d’inerzia sia con la Head board, NTC come di consueto.
VIDEOCAMERA IN BIANCO E NERO
La visione è implementata utilizzando una videocamera CMOS HAMAMATSU S10077 (http://www.hamamatsu.com).
Figura 134: Videocamera CMOS.
Questa ha le seguenti caratteristiche: uscita digitale a 10 bit di risoluzione, bassi consumi, 1024 pixel di risoluzione, dimensioni ridotte.
Figura 14: Scheda di acquisizione della videocamera. Permette l’elaborazione dell’immagine da parte della Head board.
La telecamera è connessa a una scheda di acquisizione disegnata appositamente, che acquisisce ed elabora il segnale, i dati sono poi mandati alla Head board, che gli integra con gli altri provenienti dagli altri sensori. La scheda controlla il clock e altri segnali (ST, EOS, Trig(D) e EOC), che sono essenziali per la lettura dell’uscita
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digitale. Questa avviene in concomitanza del fronte discendente del segnale Trig(D). EOC è un segnale di controllo ridondante per la trasmissione dei dati. ST è responsabile dell’inizio dell’acquisizione e della conversione. EOS segna la fine della lettura ottica. Il dispositivo ha anche la possibilità di un’uscita analogica ma non viene utilizzata.
BATTERIA E CARICA BATTERIA
Figura 15: Rispettivamente la batteria al litio e il carica batteria commerciale.
L’energia è fornita da batterie al litio (5x20x30 prodotte da PowerStream), ogni batteria rifornisce due segmenti. L’autonomia è di circa un’ora.
Nella prima versione del prototipo il carica batterie è esterno e di tipo commerciale.
SEGMENT BOARD
Figura 16: Segment board per il controllo dei motori di due vertebre
Ogni Segment board controlla due vertebre in accordo col segnale proveniente dalla comunicazione CAN con la Head board, implementa un controllo PID
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(Proportional Integrative Derivative) a 10 kHz sui motori, che sono attuati da un PWM (Pulse Width Modulation) a 30 kHz. Le caratteristiche della scheda sono le seguenti: canale CAN per la comunicazione con la Head board, quattro convertitori A/D, NTC, ingresso Switch-end per la calibrazione, due PWM a 12 bit di risoluzione.
1.3: ALTRI COMPONENTI
Per completare la descrizione degli elementi che compongono la testa, non rimane che parlare della parte ottica, mentre, per completare la panoramica dell’intero artefatto, presenteremo le componenti meccaniche passive.
Figura 17: Vista sintetica dei componenti della testa
1.3.1: OTTICA
Sempre nell’ottica di una fedele riproduzione dell’animale vivo, le lenti devono avere un ampio angolo di vista, in accordo con le caratteristiche fisiologiche della lampreda.
Le caratteristiche delle lenti usate sono: FOV (Field of View) di 170°, lunghezza focale 6 mm, e diametro 10 mm.
23 Figura 18: Lenti Fisheye
1.3.2: REALIZZAZIONE DELLA PELLE E DELLA CODA
La pelle deve avere tre caratteristiche principali: impermeabilità, resistenza e flessibilità. Per questo motivo il materiale utilizzato è il silicone, lavorato in modo da formare delle pieghe sulla superficie del rivestimento che garantiscono la flessibilità necessaria (Figura 19).
La pelle artificiale è composta di 4 segmenti di 14 cm l’uno, formati da due strati: il primo è un doppio tessuto plastico più calze di nylon, il secondo è uno strato uniforme di silicone (25g); il cilindro, rivestito con la pelle artificiale, è posto in rotazione (15 min), sotto l’azione di lampade incandescenti a 50°C, per assicurare una distribuzione omogenea di materiale. L’impermeabilità della pelle ottenuta è poi testata a pressioni superiori ai 1000 mmH2o.
La coda (Figura 20) è composta da una struttura in acciaio armonico (spessore 0,15 mm), che garantisce buona flessibilità, eccellente elasticità, ma anche una rigidezza relativamente vicina alle condizioni biologiche. Lo scheletro è sostenuto da un tubo polimerico di diametro 0,7 mm, che gioca un ruolo fondamentale nello smorzamento delle vibrazioni. Questa struttura è rivestita di silicone, per gli stessi motivi visti con la pelle, coperto da strati in vinile e tessuti di nylon.
24 Figura 19: Superficie zigrinata della pelle artificiale.
Figura 20: Varie fasi di sviluppo durante la produzione della coda.
1.4: DETTAGLIO DELLA SINGOLA UNITÀ: LA VERTEBRA
L’elemento costitutivo principale dell’artefatto è la vertebra, che, interagendo con le sue adiacenti, permette la locomozione del robot.
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Come già accennato, questa è costituita da un corpo polimerico ottenuto per stampa 3D, un servomotore DC (se si tratta di vertebra attiva) con spazzole, ironless ed encoder ottico, il tutto collegato alla scheda di controllo, due magneti, e un cinematismo che trasferisce il moto dall’albero motore ai magneti.
Durante lo sviluppo della tesi sono stati progettati tre modelli di vertebra, che differiscono principalmente riguardo al cinematismo.
• Il primo prevede l’uso di 4 ruote dentate, montate come in figura 21, di cui una collegata all’albero motore, due ai magneti e l’ultima serve a invertire il verso di rotazione tra i due magneti.
Figura 21: Vertebra e sue componenti.
In questa configurazione, infatti, per attuare la flessione durante la locomozione, è indispensabile che i magneti ruotino in senso opposto, come vedremo meglio più avanti.
• Il secondo abolisce l’uso delle ruote dentate per muovere i magneti, ma li sostituisce con due piccoli elementi strutturali lineari (braccetti), fissati alle estremità rispettivamente alla ruota collegata all’albero motore e al magnete, libere di ruotare intorno al punto di ancoraggio (figura 22). In
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entrambi questi modelli i magneti sono rivestiti di un supporto plastico, che permette l’uso di cuscinetti radiali a sfera.
Figura 22: Schema del secondo modello di vertebra.
L’orientazione relativa dei magneti affacciati di vertebre adiacenti, nei due modelli, è la stessa, in altre parole l’asse dei magneti è perpendicolare al piano individuato dalla vertebra, mentre nel terzo è contenuto in esso. • Il terzo modello, pur ricalcando gli stessi principi, ha una configurazione
diversa rispetto agli altri due. I magneti, infatti, hanno un’altra configurazione: le facce che prima davano sull’esterno adesso sono rivolte verso l’interno della vertebra, lo stesso vale per l’asse di rotazione, hanno una simmetria orizzontale in posizione di riposo e i poli invertiti. Questi sono connessi alle due estremità di un albero e ,quindi, non contro ruotano più. Il cinematismo è composto di due ruote dentate una connessa all’albero di uscita del motore l’altra all’asse che congiunge i magneti. Anche in questo caso la parte rotante s’interfaccia alla struttura tramite dei cuscinetti radiali a sfera (figura 23).
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S
N
S
RUOTA COLLEGATA AL MOTORE27
Figura 23: Terzo modello di vertebra, quello impiantato.
Come forse è più comprensibile osservando la figura 24, la flessione, nei primi due modelli, si ottiene ruotando i magneti di una vertebra fino a un massimo di 45° (ricordiamo che i magneti della stessa vertebra ruotano in senso opposto) e quelli del segmento adiacente dell’angolo opposto. In questo modo si svilupperanno delle forze magnetiche attrattive da un lato e repulsive dall’altro, una coppia per l’appunto.
Nel terzo caso, che è poi quello utilizzato nella realizzazione del prototipo, si fa uso di vertebre passive per attuare la locomozione del robot. Le vertebre passive sono senza motore (e cinematismo ovviamente) e incorporano i due magneti in posizione fissa: simmetrica sul piano verticale, nord verso la testa dell’artefatto e sud verso la coda. La vertebra attiva si trova in mezzo a due passive e la rotazione dei magneti (che può arrivare a questo punto fino a 90°, dove si ha la flessione massima) genera le forze attrattive e repulsive e la coppia corrispondente (vedi figura 42). È stata scelta questa configurazione perché garantisce facilità di montaggio e una robustezza maggiore.
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Figura 24: In alto la condizione di equilibrio, in basso la flessione massima. Notare che il momento flettente massimo si ottiene con una rotazione dei magneti di 45°.
Il moto caratteristico della lampreda in un sistema siffatto è ottenuto implementando nella scheda di controllo di alto livello della testa la seguente legge (travelling wave): 2 1 2 1 ⁄!"#$#% '
Dove Mj è il momento flettente agente sul j-esimo spazio fra i segmenti (che in
totale sono n-1 se il numero dei segmenti è n), λwave è la lunghezza d’onda della
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Agendo su alcuni parametri si possono far compiere al robot determinate traiettorie. Aumentando , ad esempio, fermo restando gli altri parametri,
diminuisce il raggio di curvatura, combinando f e λwave moduli la velocità e così via,
in modi ancora in corso di studio. Inoltre, se l’artefatto fosse in grado di gestire questi parametri autonomamente, in base ai segnali video provenienti dalla videocamera, questo sarebbe in grado di riprodurre abbastanza fedelmente il comportamento della lampreda viva in condizioni di locomozione goal-directed, che è lo scopo del progetto.
1.5: SCOPO DELLA TESI
Scopo della tesi è contribuire allo sviluppo di un modello per la simulazione numerica della lampreda artificiale descritta in questo capitolo, utile sia in fase di sviluppo dell’artefatto, per calibrare parametri di controllo, sia in fase di testing, poiché permette di prevedere la risposta del sistema a vari stimoli e in varie condizioni ambientali. Inoltre può essere utile nell’identificare l’origine di eventuali problemi di locomozione permettendo interventi più precisi ed efficienti. Il risultato raggiunto è la modellizzazione della dinamica dell’unità funzionale, la tripletta di vertebre, in corrispondenza della tipica attuazione dei magneti. Nei prossimi capitoli verranno, quindi, descritti in dettaglio i vari passaggi che hanno portato alla realizzazione del simulatore, partendo dal motore isolato fino all’integrazione dello stesso nella tripletta con controllo in retroazione.
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