Introduzione al corso di Meccatronica-Domotica A.A Docente del corso: Ing. Nicola Ivan Giannoccaro, Ing. Marco Milanese Studio docenti:

Introduzione al corso di Meccatronica-Domotica A.A. 2019-20

Docente del corso: Ing. Nicola Ivan Giannoccaro, Ing. Marco Milanese

Studio docenti: Corpo O II piano, Edificio Multipiano Email: [email protected];

[email protected] Informazioni durante il corso:

https://www.ingegneria.unisalento.it/scheda_personale/- /people/ivan.giannoccaro/bacheca

Orario di ricevimento:

Martedì e Mercoledì ore 15.00-17.00

Programma del corso

Programma del corso di Meccatronica-Domotica A.A.2019-2020 Corso di Laurea in Ingegneria delle Tecnologie Industriali 6 CFU Ing. Nicola Ivan Giannoccaro, Ing. Marco Milanese

Obiettivi del corso:

Il corso affronta le problematiche riguardanti i dispositivi misti meccanici - elettronici presenti nell'automazione industriale e nella domotica e presenta alcune applicazioni caratteristiche al riguardo. Vengono, in particolare, analizzati, la centrale di controllo, le tipologie di sensori e di attuatori, i sistemi di comunicazione, le interfacce utente, i livelli d’integrazione sia descrivendo le tipologie costruttive e funzionali degli strumenti atti al rilievo delle tipiche grandezze fisiche, sia i componenti di interfaccia e la strategia di regolazione. Viene, infine, acquisito il significato di “casa intelligente” che si realizza attraverso un processo d’integrazione tra i diversi impianti e le diverse tecnologie adottate e tra gli stessi impianti e l’edificio.

Programma

Argomento 1: Introduzione al corso, definizione di sistema meccatronico, esempi di progetti meccatronici, definizione di domotica: obiettivi e vantaggi.

Argomento 2: Modellizzazione di un sistema, tipi di ingresso, concetto di funzione di trasferimento .Analisi della risposta in frequenza, cenni sulle procedure di linearizzazione, algebra degli schemi a blocchi.

Argomento 3: Concetto di sistema di regolazione, struttura tipica di un sistema di regolazione, sistemi di regolazione di tipo 0,1 e 2, indici di errore, regolazioni fondamentali (P,PI,PID). Trasmettitori e ricevitori, esempi di dispositivi controllati.

Argomento 4: Classificazione dei segnali da acquisire, campionamento, quantizzazione, conversione A/D, problematiche di acquisizione di segnali analogici, fenomeno dell’aliasing, filtri antialiasing, filtri digitali.

Argomento 5: Definizione di servomeccanismi, azionamenti elettrici, regolatori elettronici utilizzanti amplificatori operazionali, regolatori digitali, schede di controllo.

Argomento 6 Sensori in meccatronica: estensimetri a variazione di resistenza, accelerometri, encoder assoluto ed incrementale, Inertial Measurement Unit, sensori di prossimità pneumatici elettrici ed ottici, sensori di distanza, sensori ad ultrasuoni, sensori tattili.

Argomento 7: Tipologie di errori, definizione dei parametri più significativi del comportamento statico, propagazione degli errori.

Argomento 8 Struttura generale di un impianto domotico: attuatori, comandi e sensori, mezzi trasmissivi, protocolli. Funzioni di un impianto domotico.

Le problematiche d’integrazione in un sistema domotico. L’architettura di un sistema integrato. Le interfacce utente. La progettazione integrata degli impianti.

Esercitazioni

Argomento : Utilizzo e programmazione di schede di acquisizioni commerciali (Arduino, NI) per la regolazione controllata di attuatori nell’ambito della domotica.

Testi d’esame consigliati:

Sorli M., Quaglia G.:"Meccatronica vol.1 ", Politeko, Torino, 1999.

Sorli M., Quaglia G.:"Applicazioni di Meccatronica", CLUT Editrice Torino, aprile 1996.

Ricci L., “Sistemi di domotica applicata per una casa intelligente” Dario Flaccovio Editre, 2015.

TrisciuoglioD. “ Introduzione alla domotica” Tecniche Nuove, 2009.

Modalità d’esame:

L’esame verterà in una prova orale inerente gli argomenti trattati nel corso e nella eventuale discussione di un progetto d’anno.

Ing. N.I.Giannoccaro

Definizione di meccatronica

Meccatronica è definita come il campo di studi che comprende l’analisi,il progetto, la sintesi e la selezione di sistemi che combinano sistemi meccanici ed elettronici con controlli

moderni e microprocessori.

Per sviluppare prodotti di elevato livello è necessario che i progettisti dell’area meccanica abbiano

sufficienti conoscenze nel campo elettronico e del controllo e

viceversa.

Definizione più recente

Una definizione ancora piu’ completa introduce anche la teoria del

controllo nelle discipline che

costituiscono la meccatronica.

Ing. N.I.Giannoccaro

Storia del termine meccatronica

Il termine ‘meccatronica’ è stato coniato nel 1969 dall’azienda giapponese Yaskawa (Fukuoka) azienda produttrice di motori elettrici ed indica la congiunzione fra sistema meccanico, elettrico e di calcolo al fine di realizzare un prodotto ottimale.

Definizione letterale

La meccatronica è un’area interdisciplinare

dell’ingegneria che combina ingegneria meccanica ed elettrica e scienza dell’informazione. Un tipico sistema meccatronico preleva segnali dall’ambiente, li processa per avere segnali di uscita,

trasformandoli, ad esempio, in forze, movimenti ed azioni.

L’aspetto più importante di un sistema meccatronico è l’estensione e il completamento del sistema

meccanico con sensori e microcomputer.

Tipico per tale prodotto è l’elevato aumento di conoscenza sia del sistema sia del software necessario nella sua progettazione. Inoltre il software è diventato una parte integrale del prodotto stesso, necessario per la sua funzione e operazione. E’

pienamente giustificato dire che il software è diventato un ‘elemento macchina’.

Esempi

Esempi di sistemi meccatronici:

-robot

-motori a combustione controllata digitalmente -cuscinetti magnetici senza contatto

- veicoli a guida automatica

-controllo di aerei in volo e sistemi di navigazione

-sistemi di frenaggio non bloccanti e iniezione elettronica;

-sistemi di produzione automatizzati;

-centri di produzione a controllo numerico;

-organi artificiali;

-sistemi di monitoraggio della salute;

-organi chirurgici;

-macchine fotocopiatrici;

Argomenti specifici dell’Ingegneria meccatronica

• modelizzazione e progetto

• motion control

• vibrazioni e controllo del rumore

• attuatori e sensori

• micro dispositivi e sistemi microelettronici

• intelligent control

• robotica

• manufacturing

Esempi di sistemi meccatronici

Principio del cuscinetto magnetico attivo

Il cuscinetto attivo elettromagnetico è il principio che è attualmente più spesso usato tra le sospensioni magnetiche. Un sensore misura lo spostamento del rotore dalla sua

posizione di riferimento, un microprocessore, come un controllore, deriva un segnale di controllo dalla misura, un amplificatore di potenza trasforma questo segnale di controllo in un segnale di corrente e la corrente di controllo genera le forze magnetiche tramite il magnete in maniera che il rotore rimanga nella sua posizione.

La legge di controllo è responsabile per la stabilità dello stato di sospensione così come

per la rigidezza e lo smorzamento della stessa sospensione.

Esempi

Protesi al ginocchio controllata

Questo esempio è relativo ad una cooperazione uomo- macchina. La protesi sopra-ginocchio può essere vista come un robot che, almeno parzialmente, riproduce la funzionalità della camminata umana. Quando la protesi normale deve seguire un percorso abbastanza

complesso, un controllo intelligente della protesi è stato scelto come alternativa ai metodi classici.

L’approccio selezionato è tale che il comportamento del sistema è governato da un insieme finito di regole. I parametri pre-definiti sono combinati in funzione della conoscenza base del sistema. Il primo obiettivo è

basato sulla identificazione dell’andatura dalle misure on-line. Quindi il controllo dell’andatura calcola i livelli di smorzamento del moto del ginocchio in dipendenza delle varie fasi di andatura.

Un prototipo da laboratorio di una tale protesi

controllata è stato costruito e valutato in una clinica di riabilitazione, mostrando numerosi vantaggi sulla

classica protesi.

Esempi

Robot antimine in dotazione all’esercito italiano

Questo esempio è relativo ad un braccio robotizzato a 4 gradi di libertà + gripper di presa finale avente un ulteriore doppio grado di libertà.

Il robot è teleguidato da un telecomando che permette la rotazione dei 4 giunti del braccio, del gripper e del giunto che sorregge il gripper.

E’ in dotazione dell’esercito italiano.

E’ effettivamente un sistema meccatronico?

Ing. N.I.Giannoccaro

Esempi: braccio robotizzato traduttore

Ing. N.I.Giannoccaro

Integrazione fra le parti di un progetto meccatronico

Gli elementi generalmente presenti in un prodotto meccatronico sono i seguenti:

-trasduttori;

-controllo - interfacce;

-attuatori;

-cinematismi e strutture meccaniche.

Questi elementi sono la base per poter progettare le ‘macchine intelligenti’.

Ing. N.I.Giannoccaro

Integrazione fra le parti di un progetto meccatronico

L’ingegnere meccatronico deve non solo avere una buona conoscenza di questi settori, ma possedere una visione globale, che gli permetta di progettare l’intero sistema.

Occorre sottolineare che l’ingegnere meccatronico deve saper pensare in termini di ‘sistema’, conoscendo tutti i componenti importanti di tale sistema e padroneggiando i vari aspetti, in relazione alla sua funzione e alle sue caratteristiche statiche e dinamiche.

Le prestazioni finali del sistema, infatti, sono influenzate dalle interazioni reciproche di tutti questi elementi.

E’ richiesta una capacità di scelta dei componenti ed anche la padronanza di tecniche di

modellazione in grado di verificare e prevedere se le scelte fatte conducono alle prestazioni volute.

Ing. N.I.Giannoccaro

La robotica come esempio di sistemi meccatronici

L’ipotesi di realizzare un automa ha stimolato

l’immaginazione umana fin dai tempi antichi, ma solo con la nascita della computer science queste straordinarie macchine sono diventate realtà.

Il termine robot viene usato per la prima volta in un testo teatrale intitolato R.U.R. scritto nel 1920 dall’autore ceco Karel Capek, dove sta ad indicare una generazione di esseri superficiali sviluppati per lavorare a basso costo nel settore industriale (‘robota’ in ceco significa lavoro

forzato).

Ing. N.I.Giannoccaro

Androidi

Il vocabolo ‘androide’ deriva dal greco antico ‘androeides’ che significa ‘antropomorfo, di forma umana’. Qualsiasi robot dotato di un aspetto anche solo vagamente umano viene detto oggi androide.

Come vengono costruiti gli androidi?

Scheletro

Muscoli

Testa

Occhi: generalmente sono utilizzate piccole telecamere digitali; possono essere inseriti all’interno di bulbi oculari.

Orecchie: si utilizzano microfoni stereo.

Sistema vocale: si utilizzano altoparlanti standard o meccanismi vocali che riproducono in modo fedele la voce umana.

Naso: in via di sviluppo.

Gambe e braccia

Sorgenti di energia

Sono ampiamente utilizzate batterie ricaricabili unitamente a sensori in grado di avvisare la macchina quando si rende necessaria la ricarica. In alternativa si utilizzano le batterie a radioisotopi (con materiale radioattivo) o le celle a

combustibile che combinando idrogeno ed ossigeno ottengono acqua ed energia.

Ing. N.I.Giannoccaro

Androidi

Ing. N.I.Giannoccaro

Esempio di sistema meccatronico: robot bipede

Dotato di straordinarie capacità, Asimo è diventato il robot umanoide più famoso del mondo (fatto dalla Honda).

Per sviluppare robot capaci di camminare, gli ingegneri della Honda hanno compiuto studi dettagliati sui movimenti degli esseri umani e degli animali, osservandone le articolazioni, lo spostamento del peso durante il moto e l’azione dei muscoli. Anche se camminare potrebbe sembrare semplice la macchina che sta alla base di questa azione è incredibilmente

complessa; basti pensare alla difficoltà di dover controllare ogni singola articolazione e, nel contempo, analizzare la postura del proprio corpo, la velocità del movimento e la posizione del baricentro.

Ing. N.I.Giannoccaro

Esempio di sistema meccatronico: robot bipede

Ogni arto di ASIMO è un sistema molto

complesso:braccia e gambe sono dotate di 6 gradi di libertà e ricreano un livello di flessibilità paragonabile a quello degli arti umani. Ogni giunto è mosso da un servomotore potente ma compatto, controllato da processori centrali del robot.

ASIMO può anche muovere la testa con 3 gradi di libertà come gli esseri umani.

Può correre alla velocità di 3 km/h effettuando un passo ogni 0.36 secondi. Il suo tempo di sospensione è di 0.05 secondi.

ASIMO ha molte abilità oltre a quelle motorie: le sue telecamere gli consentono di vedere e, grazie a tali occhi, non solo riconosce forme prememorizzate, ma le distingue anche guardandole da diverse

angolazioni.

Ing. N.I.Giannoccaro

Video dimostrativo Asimo, museo delle scienze di Tokyo,Marzo 2015

Esempio di sistema meccatronico: robot bipede

Ing. N.I.Giannoccaro

Esempio di sistema meccatronico: robot artificiere

Quando viene trovato un ordigno può essere di vitale importanza l’uso di robot telecomandati in grado di sventare la minaccia permettendo agli operatori umani di rimanere a distanza di sicurezza.

Essi agiscono o disattivando l’ordigno tramite un’esplosione ‘controllata’ che distrugge senza innescare la carica principale oppure rendendo inattive le parti meccaniche o elettroniche interne sparando un proiettile o un getto d’acqua ad alta pressione.

Ing. N.I.Giannoccaro

Esempio di sistema meccatronico: robot artificiere

In realtà esiste un’ampia gamma di robot artificieri ed ognuno di essi è progettato per adempiere ad appositi compiti di disinnesco. Le telecamere montate sui robot aiutano gli operatori a seguire le fasi di movimento e a controllare con precisione gli strumenti. Sono usati anche strumenti a raggi X.

Ing. N.I.Giannoccaro

Esempio di sistema meccatronico: robot demolitore

La demolizione di molte strutture, quali edifici, ponti e tunnel, è un processo complesso che può mettere a repentaglio l’incolumità degli operatori; esistono robot controllabili a distanza (con collegamenti via cavo o wireless), per mezzo di telecomandi del peso di soli 3 kg.

Questi telecomandi possono essere utilizzati sul posto da operatori che, di volta in volta, cambiano posizione per osservare il lavoro della macchina dal punto di vista migliore.

Generalmente sono alimentati elettricamente e possono essere impiegati anche in spazi

ristretti e privi di ricambio d’aria, come tunnel e sotteranei.

Ing. N.I.Giannoccaro

Esempio di sistema meccatronico: robot demolitore

Utensili sono montati sui bracci dei robot lavorando in modo simile a martelli pneumatici ad elevata potenza: martelli idraulici per abbattere muri di mattoni, frantumatori, cesoie, polverizzatori e benne per rimuovere i detriti.

Ing. N.I.Giannoccaro

Esempio di sistema meccatronico: robot ospedalieri

I robot ospedalieri iniziano il loro viaggio in farmacia dove un operatore riempie i suoi vani con gli oggetti da consegnare, ponendoli prima in particolari contenitori dotati di nomi e codici a barre dai quali è possibile ricavare informazioni relative ai singoli pazienti destinatari.

Il robot inizia le consegne portando il suo carico nelle varie aree infermieristiche collocate

nell’ospedale, utilizzando segnali radio per comandare gli ascensori e aprire le porte. Durante le consegne il robot è in grado di gestire piccoli problemi, ad esempio nel caso non fosse presente nessuno per il ritiro di un farmaco il robot può avvisare l’operatore.

Ing. N.I.Giannoccaro

Esempio di sistema meccatronico: robot climber

Uno dei robot più grandi che siano stati mai costruiti ha mosso i primi passi nel 2005 in Friuli:è una macchina di 3,8 tonnellate in grado di prevenire le frane ,stabilizzando e compattando le aree a rischio di cedimento con la costruzione di barriere fisiche ed ancoraggi che assicurino gli elementi a rischio alla terraferma. La macchina è comandata a distanza e si basa su un sistema di azionamenti idraulici per arrampicarsi sulle pareti rocciose delle montagne. Dotata di 4 zampe che muove l’una dopo l’altra per guadagnare quota o muoversi lateralmente può trivellare fori nella roccia che raggiungono i 20 m di profondità.

Progettato per riuscire a lavorare su pendenze che raggiungono i 30°, con l’aiuto di cavi e organi può muoversi su superfici con inclinazioni di 85° e inclinazioni di 80 m.

Il robot è equipaggiato con una trivella a percussione azionata elettricamente;la corrente elettrica e l’aria compressa usate dal robot sono prodotte da un generatore e da un compressore montati al suo interno.

Ing. N.I.Giannoccaro

Esempio di sistema meccatronico: robot di soccorso

Il robot da soccorso dovrebbe resistere a temperature estreme ed essere sottoponibile a

decontaminazioni da sostanze tossiche. La struttura fisica del robot dovrebbe rispettare alcuni importanti principi:

-colorazione tale da renderlo visibile;

-movimentazione che avvenga silenziosamente e senza causare sollevamento di polvere;

-nelle missioni notturne possono essere utili sistemi di visione notturni;

-possono essere equipaggiati con rilevatori di ossigeno e anidride carbonica

Ing. N.I.Giannoccaro

Esempio di sistema meccatronico: crash robot

I crash robot non sono manichini umani ma concentrati di tecnologia robotica che riproducono con elevata fedeltà le caratteristiche biomeccaniche dell’uomo, cioè le sue reazioni alle forze interne ed esterne, applicate sull’organismo sia in movimento sia a riposo.

La cavità toracica, ad esempio, è ricostituita con costole in metallo, il collo in gomma subisce gli stessi allungamenti e flessioni di quello umano, così cme ogni articolazione. Inoltre i crash robot sono dotati di decine di sensori di vario tipo: normalmente 3 accellerometri vengono posti

all’interno dei crash robot per tenere conto delle accellerazioni cui è sottoposto il cervello, il collo è sottoposto alla misura delle torsioni e flessioni, sulle ginocchia sono misurate le forze dovute agli impatti frontali che si verificano contro il cruscotto o il volante, , le costole sono in grado di registrare le flessioni della gabbia toracica e l’intensità con le quali avvengono.

Ing. N.I.Giannoccaro

Esempi

Robot cameriere (Giappone)

Ing. N.I.Giannoccaro

Hotel gestito da robot (Giappone, 2015)

Esempi

La mansione sembra l'ideale, visto che gli androidi creati dalla società Kokoro sono modellati secondo le sembianze di giovani donne giapponesi. Ma l'aspetto esteriore non è la parte più interessante di loro. Tutte le unità sono in grado di parlare giapponese, cinese, coreano e inglese: un'abilità che le rende un vero asset nelle strutture

alberghiere.

Inoltre, questi androidi sono in grado di imitare il comportamento umano e

rispondere in modo adeguato secondo il linguaggio del corpo e il tono usato dai loro interlocutori. Se tutto andrò come previsto, ai 10 robot iniziali ne verranno affiancati altri che provvederanno a tutti i servizi dell'hotel:

pulizia delle camere, trasporto bagagli e altre mansioni. L'obiettivo è portare i robot a

occuparsi del 90% delle funzioni.

Ing. N.I.Giannoccaro

Esempi

Video dimostrativo Halluc II (Chiba Institute of Technology),

museo delle scienze di Tokyo,Marzo 2015

Ing. N.I.Giannoccaro

Esempi

Video dimostrativo di Gundam, Odaiba Tokyo,Marzo 2015