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• Progetto A.C.R.A.B. (Automa a Controllo Remoto Autocostruito Bene)
  Alunni : Biggio Andrea - Bombelli Marco

Cos’è A.C.R.A.B.?
A.C.R.A.B. è un Automa a Controllo Remoto Autocostruito Bene, ma il suo nome significa anche Scorpione

È costituito da una base mobile a 6 ruote (4 motrici e 2 libere) e da un braccio cartesiano a 4 assi. Il tutto è autocostruito (bene) in LEGO. L’elettronica utilizzata per A.C.R.A.B. è in parte nota ai progettisti perché facente parte del programma ministeriale del corso di elettronica e telecomunicazioni e in parte reperita su Internet in base alle esigenze del progetto. Il robot è alimentato a batteria (12V 2,2Ah).
A.C.R.A.B. è controllato via radio da un PC la cui porta seriale è interfacciata con un dispositivo di commutazione di livello da RS232 a TTL e un modulo ibrido di trasmissione radio.

A.C.R.A.B. è costituito da:

• Una Motherboard il cui cuore è un Microcontrollore PIC16F877 programmato dai progettisti, il clock di sistema proviene da un oscillatore al quarzo da 4MHz
• 6 moduli di pilotaggio di motori in DC tramite segnale PWM
• 1 modulo di pilotaggio di un’elettrocalamita
• 1 modulo di pilotaggio delle ventole di raffreddamento

Il movimento è ottenuto tramite l’utilizzo di 6 motori in DC alimentati a 12V direttamente dalla batteria.
A.C.R.A.B. è in grado di prelevare e spostare oggetti di natura ferrosa e di trasportarli dopo averli posti in sicurezza sul carrello di base.

Perché A.C.R.A.B.?
Il nome è stato scelto tra quelli delle stelle della costellazione dello Scorpione data la strettissima somiglianza tra il robot e l’animale in questione; l’acronimo è frutto di una paziente attività cervellotica di ricerca di parole che suonassero bene assieme e che creassero una frase non troppo distante dalla realtà.

A cosa serve A.C.R.A.B.?
A.C.R.A.B. serve ai due progettisti per uscire dalla scuola media superiore con (minimo) il massimo dei voti.

L’idea
A.C.R.A.B. è nato in un freddo giorno di Gennaio dell’anno 2003, quando i progettisti Biggio Andrea e Bombelli Marco della classe 5 ELA dell’I.T.I.S. G.Natta di Sestri Levante si sono per sbaglio incontrati e hanno iniziato a parlare col prof. Magnoli della tesi per l’esame di Stato. Nonostatnte i ripetuti tentativi di far tornare gli alunni sui propri passi, il prof ha dovuto cedere all’insistenza e, rassegnato, ha deciso di aiutare i due a portare avanti il loro progetto.

I Problemi
Il problema principale incontrato nella realizzazione del progetto A.C.R.A.B. non è stata ne l’eccessiva mole di lavoro da svolgere ne difficoltà tecniche particolari, l’ostacolo più grande è stato quello delle gufate provenienti dagli angoli più remoti della galassia perché chiunque, dai professori a i genitori, ai compagni, agli amici, ai conoscenti, agli sconosciuti ha affermato (dando giustificazioni spesso molto sommarie), che il progetto sarebbe stato un grosso buco nell’acqua.

Parlando seriamente
Scherzi a parte A.C.R.A.B. è il risultato di oltre 5 mesi di lavoro quasi ininterrotto da parte dei progettisti che hanno dovuto applicare gran parte delle proprie conoscenze, della propria inventiva (e, perché no, della propria fortuna), per rendere possibile un progetto così ambizioso.
Il risultato è stato quello di ottenere un automa funzionante, controllabile da PC le cui caratteristiche principali sono già state elencate.
Ma ora passiamo ai fatti, qui di seguito è riportato un manuale che descrive innanzitutto come funziona A.C.R.A.B. e, per chi non si accontentasse di vederlo scorrazzare per la stanza a prendere pezzi di metallo, anche un’ampia descrizione dell’hardware e del software che lo costituiscono.

Il montaggio di A.C.R.A.B.
Per montare lo scheletro di A.C.R.A.B. abbiamo utilizzato i LEGO, non è purtroppo disponibile alcuna istruzione di montaggio perché, essendo i progettisti parte del corso elettronici, non hanno avuto il tempo per svilupparla (avendo ampliato molto gli argomenti riguardanti il corso).
Comunque, una volta finito il montaggio coi LEGO siamo passati al fissaggio dei motori utilizzando la colla a caldo per appiccicarli ai LEGO stessi .

Il Blocco Motore
Una nota di particolare rilievo è caratterizzata dalla progettazione del blocco motore che esula in parte dai programmi ministeriali. Esso è costituito da 6 moduli driver per motori in continua pilotati da un segnale PWM proveniente dal microcontrollore. Dato che sugli integrati MAX4427 (o compatibili) sono stati trovati attraverso una ricerca in Internet abbiamo dovuto testarne l’efficacia in laboratorio. Siccome senza dissipatore essi raggiungevano temperature elevate (che li portavano ad essere inutilizzabili), per metterci in sicurezza abbiamo deciso di progettare un blocco motore costituito da due grossi dissipatori identici (o quasi) nelle dimensioni.
A ogni dissipatore sono stati assegnati tre modulini che, per ottenere il miglior sfruttamento possibile della superficie di dissipazione sono stati progettati in modo particolare (rimando alla sezione dedicata per eventuali approfondimenti). Gli integrati sono stati cosparsi di pasta termoconduttiva e fatti aderire nel miglior modo possibile al dissipatore, i moduli sono stati quindi fissati con viti e bulloni.
Il risultato ottenuto è stato quello di avere due blocchi perfettamente uguali ed opposti che potessero essere attaccati assieme e fissati con delle viti. In questo modo siamo riusciti a creare un monoblocco facilmente estraibile dal suo vano (anche grazie a delle guide), le cui dimensioni e peso sono accettabili per le dimensioni del nostro A.C.R.A.B.
Dal blocco motore esce una miriade di fili. Per rendere meno ostica questa giungla di cavi (perdipiù dello stesso colore!!!) abbiamo diviso le varie categorie (VCC, VDD, GND, DIREZIONE, PWM, CONNESSIONE MOTORI) e le abbiamo prima fissate con delle fascette e poi riportate su dei connettori mammuth (VCC, VDD e GND) o direttamente sui connettori del microcontrollore (per DIREZIONE e PWM) oppure sui motori in DC.
Questo ci permette di poter agire sulle connessioni senza combinare troppi pasticci, anche perché tutti i connettori sono stati numerati in base alla provenienza dai modulini (corrispondentemente numerati).

Prima dell’uso
Prima di poter utilizzare A.C.R.A.B. è comunque necessario avere indicazioni (per quanto sommarie) di come è fatto, perché senza una conoscenza almeno basilare dell’Hardware è impossibile un utilizzo a pieno dell’automa. Per questo nelle prossime pagine andremo a vedere, molto superficialmente, com’è fatto questo robot.
Frontalmente abbiamo un pannello apribile che nasconde un vano al cui interno possiamo vedere il modulo di stabilizzazione dell’alimentazione a 5V.
Aprendo il pannello è inoltre possibile sfilare la Motherboard (avendo però prima staccato tutti i fili degli I/O). L’unica cosa da dire sulla motherboard è che possiede un pulsante di reset del microcontrollore che, se premuto, toglie alimentazione al chip riportando il programma all’inizio dell’esecuzione.
La base dove vengono appoggiati i pezzi per il trasporto è rimovibile, sotto di essa c’è il vano batteria (contenente una batteria al piombo da 12V 2,2Ah), i motori della base di A.C.R.A.B. e un groviglio di fili sul quale è conveniente non agire senza aver prima riflettuto a tavolino sul da farsi.
Sul fianco sinistro (guardando il robot da dietro) sono presenti due LED (uno rosso e uno verde), il pulsante dell’alimentazione e lo spinotto per il caricabatterie.
Sul retro abbiamo la ventola di raffreddamento del vano motore e il vano motore stesso. Con vano motore non intendiamo i motori in DC veri e propri ma l’insieme dei circuiti (con relativi dissipatori) atti al pilotaggio dei motori stessi.
Per agire sul blocco motore basta togliere lo spinotto di sicurezza della ventola (posto proprio sopra quest’ultima) e, dopo aver disconnesso i faston aver tolto la ventola stessa.
Di fronte a noi vedremo un monoblocco formato da due dissipatori sovrapposti ai quali sono attaccati tutti i driver di potenza che costituiscono il blocco motore.
Far uscire il blocco motore è semplicissimo, dopo aver staccato tutti i faston (il che può essere fatto togliendo il pannello superiore di A.C.R.A.B.), basta tirare verso di se il blocco che scorrerà su delle guide rimanendo nelle nostre mani (consigliamo comunque di non eseguire questa operazione se non si è costretti da malfunzionamenti).
L’ultima cosa da analizzare di A.C.R.A.B. è il braccio. Esso è costituito da snodi pilotati da motori in continua interfacciati con delle apposite riduzioni.
In fondo al braccio c’è un’elettrocalamita in grado di raccogliere piccoli oggetti metallici da far trasportare ad A.C.R.A.B. All’opposto della calamita c’è un contrappeso studiato per far si che a vuoto, cioè senza oggetti attaccati alla calamita, il braccio rimanga in equilibrio tendendo però ad abbassarsi dalla parte opposta rispetto alla calamita.
Ciò che rimane da dire su A.C.R.A.B. (almeno per quanto riguarda la sua elettronica) sta nel suo assorbimento di corrente che dovrebbe essere al massimo di 3A (possiamo farlo funzionare ininterrottamente per poco più di 30 min).

Guida all’uso
Dopo aver installato tutto il necessario (seguendo le istruzioni dell’InstallShield) basterà eseguire il programma, quello che avremo di fronte a noi sarà il pannello principale di controllo di A.C.R.A.B.

Il pannello si divide in 4 parti:

• Menu a tendina
• Controllo di velocità
• Controlli di movimento
• Controlli del braccio

Dai menù a tendina è possibile selezionare varie opzioni che vedremo mano a mano che si presenteranno sul cammino dell’utilizzo.
Il controllo velocità è costituito da una slide con un cursore a 5 posizioni (0 = fermo, 4 = velocità massima), e regola la velocità di avanzamento del robot.
I controlli di movimento sono 9 pulsanti (8 di direzione e 1 di stop) che controllano il movimento della base di A.C.R.A.B.
I controlli del braccio agiscono invece quando A.C.R.A.B. è fermo, muovono il braccio cartesiano e controllano l’elettrocalamita.

Procedura Passo-Passo
Prima di poter controllare A.C.R.A.B. dal PC è necessario connettere a una porta seriale del computer un capo del cavo null-modem in dotazione (l’altro capo va alla scheda di trasmissione via radio).
Una volta fatto questo è sufficiente accendere A.C.R.A.B. agendo sul tasto di alimentazione posto proprio accanto ai LED di segnalazione sul lato sinistro di A.C.R.A.B. e avviare il programma.
La prima cosa da fare quando viene avviato il programma è configurare la comunicazione seriale ciccando alla voce Parametri Trasmissione nel menu Configurazione Sistema. Comparirà una finestra divisa in due parti:
 

• a sinistra c’è una slide a 3 posizioni che permette di selezionare la porta COM (bisogna ovviamente scegliere quella a cui è attaccato il modulo di trasmissione)
• a destra ci sono i parametri non modificabili riguardanti la trasmissione seriale (Velocità, parità, numero di bit dati, numero di bit di stop)

Una volta selezionata la porta COM corretta basta confermare ciccando su OK per abilitare la trasmissione seriale.
Adesso è il momento di abilitare A.C.R.A.B. (altrimenti non funziona), per fare questo è sufficiente premere F2 o cliccare all’apposita voce nel menu a tendina File. Un LED verde posto su A.C.R.A.B. ci darà conferma dell’avvenuta abilitazione, in ogni caso, all’atto dell’abilitazione si devono avviare le ventole di raffreddamento.
A questo punto scegliamo la velocità di movimento e facciamo muovere A.C.R.A.B. per tutto il tempo che vogliamo (fin quando la batteria lo sorregge).
Quando A.C.R.A.B. avrà assolto i suoi compiti e non sarà più necessario il suo utilizzo sarà sufficiente disabilitarlo premendo il tasto F3 o ciccando sull’apposita voce nel menu File. La conferma dell’avvenuta disabilitazione sarà data dall’accensione di un LED rosso su A.C.R.A.B. e dallo spegnimento delle ventole. Se un utente distratto si dimentica di disabilitare A.C.R.A.B. non succederà nulla di problematico perché ciccando sul pulsante di uscita dal programma il byte di disabilitazione viene inviato automaticamente.

Ricordiamoci infine di togliere alimentazione ad A.C.R.A.B. agendo sul pulsante ON/OFF.