1. Mano Bionica – Panoramica

Mano Bionica – una Panoramica

La prima impressione generale sui robot è che si tratti di qualche macchina artificiale, simile al corpo umano e che agisce in modo simile a noi. Ci aspettiamo persino che ci parlino e ci comprendano. Pertanto, tali robot sono chiamati umanoidi. In realtà, esistono molti robot meccanici molto più semplici utilizzati nell’industria. Di solito eseguono solo una o alcune azioni (ad esempio, trasferire un oggetto in lavorazione da un operaio all’altro), ma i principi generali di funzionamento sono gli stessi.

^{Figura 1. Esempio di mano bionica}

La situazione non sembra così complicata, se suddivisa in parti e osservata dall’interno: i recenti progressi tecnologici ci permettono di creare una mano bionica da soli (DIY = “do it yourself”, ovvero “fai da te”):

• Le parti “fisiche” di una mano bionica possono essere prodotte con una stampante 3D;
• All’interno deve esserci spazio per componenti meccanici ed elettronici; queste parti “fisiche” sono solitamente progettate utilizzando software di modellazione 3D;
• I movimenti sono realizzati da piccoli motori (“muscoli”), che tirano fili/cavi (“tendini”) collegati alle parti appropriate della mano costruita;
• I motori sono comandati da un programma software che gira su un microcontrollore.

^{Figura 2. Robot umanoide}

Per migliorare la comprensione, gli studenti possono utilizzare la Realtà Aumentata (AR) per esplorare la struttura interna di una mano bionica. Attraverso modelli AR, gli studenti possono visualizzare come motori, tendini e sensori interagiscono per replicare i movimenti della mano umana.

• I movimenti possono essere avviati da impulsi elettrici presenti all’interno del corpo umano – questi impulsi vengono rilevati e trasferiti al microcontrollore.

^{Figura 3. Parti principali e componenti di una mano bionica}

I seguenti argomenti ci aiuteranno a comprendere meglio come vengono realizzati questi passaggi, e persino a provarli noi stessi.

Modellazione e progettazione

Inizialmente, ci limiteremo a movimenti più semplici – solo una rotazione tra due parti adiacenti del dito. Deve esserci abbastanza spazio senza ostacoli per il movimento dei fili all'interno del corpo, e la possibilità di installarli (qualsiasi parte interna) comodamente. Pertanto, si prevede che “una parte del corpo” sia composta da due pezzi, dotati di fori per l’asse e spazi per unire insieme diverse “parti del corpo”.

La forma iniziale per modellare le dita sono cilindri tagliati a metà. Abbiamo bisogno che le parti si sovrappongano parzialmente per poter essere fissate l'una all'altra o per creare una connessione rotante.

^{Figura 4. Composizione di un dito}

Lo spazio all’interno delle dita non è sufficiente per inserire dei motori (oppure tali micro-motori potrebbero costare troppo), quindi le parti delle dita vengono mosse tirando dei fili, e i motori sono solitamente posizionati nel polso o nell’avambraccio di una mano bionica.

^{Figura 5. Parti separate di un dito}

Quindi, inizialmente, dobbiamo produrre tutte le parti necessarie di una mano bionica. Per questo, il primo passo è creare i modelli di queste parti. Successivamente, i modelli ottenuti vengono utilizzati per generare i file di istruzioni per le stampanti 3D che ci aiutano nel processo di produzione.

Stampa 3D

In generale, la tecnologia di stampa 3D ci permette di creare un oggetto di quasi qualsiasi forma. La tecnologia si è evoluta dalla stampa a getto d'inchiostro: la plastica fusa (invece dell'inchiostro) viene spruzzata strato dopo strato secondo il file di istruzioni e diventa solida a temperatura ambiente. Oltre al metodo di stampa 3D menzionato, esistono diverse altre tecnologie che permettono ai clienti di produrre parti in materiali differenti come metallo, cemento, gomma, ecc.

Ad esempio, nella tecnica speciale di stampa 3D per produrre parti metalliche, l'oggetto in metallo viene generato nella polvere di sabbia; il metallo viene fuso in un oggetto solido riscaldato da un laser.

^{Figura 6. La tecnologia di stampa 3D permette di creare oggetti di quasi qualsiasi forma}

I “muscoli” tirano i “tendini”

Il movimento di una mano robotica è molto simile a quello di una mano umana. Il muscolo si contrae quando una corrente elettrica lo attraversa¹. Questo tira i tendini collegati a una parte del corpo adiacente. Quella ruota attorno a un’articolazione che collega queste due parti del corpo.

Nel caso di un robot, il meccanismo è simile: un motore tira una corda. Per realizzare un movimento inverso, si possono utilizzare due alternative:

• una molla, che riporta una parte del corpo nella posizione iniziale;
• un sistema a due corde, che tira la parte del corpo in entrambe le direzioni.

In entrambi i casi, il movimento è realizzato da un tipo speciale di motori, chiamati servo-motori (o servo-attuatori). Questi dispositivi digitali si muovono e si fermano solo in determinate posizioni, diversamente dai motori che ruotano continuamente.

^{Figura 7. Meccanismo che muove un dito di una mano bionica}

¹ Le contrazioni muscolari sono controllate da impulsi elettrici molto piccoli, che possono essere misurati da sensori speciali. Questi impulsi provengono dal cervello e possono essere utilizzati per controllare una mano bionica, applicata come sostituzione di una persa durante un incidente.

Programmazione e controllo del movimento

La posizione target per i motori di una mano bionica è impostata da un microcontrollore – un piccolo “computer” con un software al suo interno.

Ci sono diversi aspetti importanti su come il software controlla il movimento:

• il programma viene ripetuto quasi all’infinito (ad esempio, fino a quando non si verifica una condizione speciale o viene interrotta l’alimentazione);
• il programma controlla il mio-sensore (un sensore muscolare) per sapere quando iniziare a tirare il filo (e quale);
• se sappiamo in anticipo quale oggetto vogliamo afferrare con la nostra mano bionica, allora possiamo istruire il motore sulla posizione target;

^{Figura 8. Mano bionica che tiene un oggetto}

• Nella maggior parte dei casi la forma di un oggetto non è nota, quindi è necessario un altro sensore all’estremità di un dito per permettere il controllo della forza, in modo da non schiacciare l’oggetto nella nostra mano bionica.

  ^{Figura 9. Sensori di forza posizionati all’estremità delle dita}