Utilizzo di SmartCamera NI 1762 e Lego NXT per una staffetta tra

Utilizzo di SmartCamera NI 1762 e Lego NXT per una staffetta tra due musei con robot
autonomi, controllati in locale e in remoto
"A partire dalle esperienze precedenti in corsi quali
Laboratorio di Meccatronica dell'UNIVPM e scuole
di robotica per ragazzi presso TECHNOTOWN,
l'utilizzo di una SmartCamera NI 1762, di sistema
LEGO NXT, LabVIEW 2009 e Toolkit NXT hanno
permesso una rapida prototipizzazione
dell’applicazione."
- M. Carastro, ZETEMA (http://www.zetema.it)
La sfida:
Nell'ambito della manifestazione internazionale per ragazzi, Futuro Remoto, organizzata a Napoli e dedicata alla robotica, i musei Città della Scienza
e Technotown, le Università Politecnica delle Marche e Roma Tre, National Instruments e la Scuola di Robotica di Genova hanno deciso di costruire
un'arena dove far sfidare, in una staffetta, robot autonomi, teleguidati in remoto o istruiti mediante mimica
La soluzione:
Per spiegare a ragazzi dai 6 ai 17 anni la differenza tra robot autonomo e teleguidato e le difficoltà di un controllo remoto sono stati costruiti tre robot
a intelligenza distribuita con l'utilizzo di una SmartCamera NI 1762, sistema LEGO NXT, LabVIEW e Toolkit NXT per una rapida prototipazione
dell’applicazione
Autore (i):
M. Carastro - ZETEMA (http://www.zetema.it)
D. Scaradozzi - UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE MARCHE (http://www.univpm.it)
Breve riassunto
Nel progetto “Staffetta robotica. Da Napoli a Roma, musei a controllo remoto” si è voluto realizzare un evento di robotica educativa in cui la collaborazione
tra science center, dipartimenti di ricerca, aziende e associazioni educative fornisse un esempio di integrazione tra didattica museale e divulgazione
scientifica. Per collegare i due musei in una rete didattica, si è scelto di realizzare una staffetta tra robot, fisicamente presenti a Roma, a Technotown,
guidati localmente da Roma e da Napoli dai ragazzi coinvolti nella manifestazione. Nell’arena romana si è scelto di mettere tre robot realizzati con sistema
Lego Mindstorms NXT e ad intelligenza distribuita: due teleguidati ed uno autonomo dotato di NI 1762 SmartCamera.
Articolo
Introduzione
L'articolo presenta l'esperienza maturata nello sviluppo di un'arena per staffetta robotica educativa presentata all'interno della manifestazione “Futuro
Remoto”, organizzata da Città della Scienza di Napoli. Lo scenario ha visto la collaborazione dei musei Città della Scienza e Technotown, le Università
Politecnica delle Marche e Roma Tre, National Instruments e la Scuola di Robotica di Genova in un riuscito esempio di integrazione tra didattica museale
e divulgazione scientifica.
L’obiettivo della collaborazione è stato quello di verificare con questo progetto-pilota se sia possibile realizzare una rete scientifico-museale che possa
coinvolgere più strutture in un panorama museale nazionale integrato. Anche se la rassegna di robotica Futuro Remoto 2009, che si è svolta a Napoli dal
19 novembre all’8 dicembre 2009, ha rappresentato un utile banco di prova di questo progetto comunque limitato nel tempo, le due strutture museali
coinvolte, nel contesto italiano uniche nel loro genere, potranno beneficiare della reciproca cassa di risonanza e fidelizzare il loro pubblico, offrendo un
collegamento ideale, sia reale che virtuale, anche al di fuori dei confini regionali.
La manifestazione multimediale di diffusione della cultura scientifica e tecnologica Futuro Remoto 2009 – Robot e altre storie, è un evento promosso
dall’Assessorato alle Attività Produttive delle Regione Campania e della Fondazione Idis - Città della Scienza.
Contesto
Prima di descrivere il progetto Staffetta robotica. Da Napoli a Roma, musei a controllo remoto, è utile richiamare il concetto di science center, per poter
chiarire il contesto in cui il progetto si sviluppa. Luigi Amodio (2005) indica tre elementi, innovazioni, che caratterizzano queste realtà rispetto ai musei
tradizionali:
• la prima innovazione, nei contenuti, è la dichiarata intenzione di costituirsi come luoghi aperti di incontro tra i soggetti e i luoghi in cui la scienza e la
tecnologia vengono prodotte e la società […];
• la seconda innovazione, riguardante le modalità di comunicazione, è l’impostazione fortemente interattiva dell’offerta espositiva, un’offerta che richiede
esplicitamente ai visitatori di “mettere le mani” sugli oggetti esposti, stabilendo con questi ultimi un rapporto diretto di sperimentazione […]. In questa
prospettiva, la libertà, da parte di chi apprende, di misurarsi con i fenomeni, produrli, sviluppare inferenze, è massimizzata; mentre il ruolo di chi detiene le
conoscenze assomiglia sempre di più a quello di un “facilitatore” che non a quello di chi insegna, nel senso tradizionale del termine […];
• la terza innovazione, relativa al posizionamento di mercato, è la collocazione dei science center in una terra di mezzo tra educazione e informazione da
un lato e intrattenimento dall’altro.
Technotown, un museo della scienza per ragazzi, aperto anche ai loro accompagnatori adulti, e Città della Scienza di Napoli, rappresentano il senso della
seconda innovazione proposta da Amodio. I laboratori di robotica educativa promossi da Technotown e la sua partecipazione alla rassegna Futuro
Remoto sono un esempio delle attività realizzate dalla struttura in ambito robotico. L’interazione con i robot rappresenta l’elemento centrale del processo
di didattica interattiva in questo ambito.
Realizzazione dell'idea
Nel progetto “Staffetta museale. Da Napoli a Roma, musei a controllo remoto” abbiamo voluto realizzare una sinergia all'interno di una rete nazionale di
collaborazioni già avviate da anni tra diverse competenze in ambito educativo e di progettazione robotica. Le indicazioni date riguardo ai messaggi
educativi da Technotown e Città della Scienza, il concorso per le idee di costruzione dei ragazzi delle medie organizzato dalla Scuola di Robotica di
Genova in presentazione e preparazione dell'evento, la progettazione con strumenti altamente modulari e di prototipazione rapida quali LabVIEW e il
sistema LEGO NXT conosciuti e usati dai dipartimenti di ricerca DIIGA – Università Politecnica delle Marche ed il Dipartimento di Informatica e
Automazione - Università Roma Tre (Prof. Panzieri) e l'utile apporto e supporto all'innovazione portato da National Instruments Italy, hanno trasformato la
progettazione meccatronica dei robot in un utile esempio di sinergia per la creazione di strumenti innovativi e di divulgazione scientifica allo stesso tempo.
L'applicazione realizzata consiste in un'arena (Figura 1) in cui tre robot identificati con le sigle NXT1, NXT2 e NXT3 partecipavano ad una staffetta
robotica. I 3 robot della staffetta hanno intelligenze diverse che risiedono in diversi sistemi di calcolo. Tutti e tre i robot hanno due differenti unità di calcolo
a bordo: NXT1, il più autonomo, è composto da una Smart Camera e un blocchetto programmabile LEGO NXT, mentre gli altri due robot hanno
intelligenza distribuita tra il blocchetto programmabile NXT e un PC collegato via Bluetooth.
Tutti e 3 i robot hanno nel blocchetto LEGO NXT l’intelligenza di basso livello che si occupa del movimento e della gestione dei sensori di tatto
(simboleggiano per i ragazzi i neuroni periferici di un essere umano che si trovano lungo la spina dorsale e che fanno riferimento a delle aree specifiche
del nostro cervello). Il compito dell’intelligenza che risiede nei blocchi programmabili NXT è quello di reagire agli stimoli di tatto e di controllare i motori in
potenza, sterzata e numero di giri. L’intelligenza di basso livello degli NXT è stata realizzata in LabVIEW e cross-compilata per il microprocessore ARM7
degli NXT mediante il Toolkit per NXT di National Instruments.
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Le intelligenze di alto livello che hanno il compito di gestire la Navigazione, Guida e Controllo dei robot sono state realizzate in LabVIEW ed eseguite dalla
Smart Camera NI 1762, per quanto riguarda NXT1; su un PC di Roma per quanto riguarda NXT2; su un PC di Napoli per quanto riguarda NXT3. Le
comunicazioni tra le intelligenze di alto livello e quelle di basso livello avvengono con protocollo seriale ma per mezzo di sistemi di comunicazione
differenti nel caso di NXT1 e NXT2 /3.
NXT2 e NXT3 comunicano con i PC dove risiede l’intelligenza mediante protocollo Bluetooth. L’intelligenza di alto livello di NXT2 e NXT3 è composta da
due applicazioni che comunicano tra loro via UDP/IP: un protocollo che può viaggiare sulla rete web e che ha la caratteristica di essere veloce e robusto.
Rispettivamente le due applicazioni in esecuzione sul PC sono realizzate in MaxMSP e LabVIEW e si occupano di riconoscere il comportamento dei
ragazzi davanti alla telecamera e di tradurlo in comandi di movimento per il robot.
MaxMSP è un ambiente grafico di programmazione nato e sviluppato in ambiente musicale, audio e multimediale in genere. Viene usato da più di 15 anni
da musicisti, compositori, artisti, insegnanti e studenti, ed è di fatto diventato uno standard per la creatività tecnologicamente evoluta in ambito musicale e
visivo.
LabVIEW è un ambiente di programmazione grafica che include collegamenti e icone grafiche come in un diagramma di flusso, per lo sviluppo di
un'ampia gamma di sistemi di controllo avanzati di misura, test e controllo. LabVIEW è compatibile con migliaia di dispositivi hardware e include librerie
per analisi avanzate e per la visualizzazione dei dati. La piattaforma di LabVIEW è scalabile su target multipli e sistemi operativi ed è uno standard per la
programmazione grafica fin dal 1986.
Gli algoritmi di visione artificiale realizzati in MaxMSP sono stati realizzati dal gruppo Technotown mentre l’interfaccia in LabVIEW per il controllo remoto
della locomozione dei robot è stata realizzata dal gruppo dell’Università Politecnica delle Marche.
L’intelligenza di alto livello di NXT1 risiede in un dispositivo SmartCamera NI 1762 che comunica con il blocchetto intelligente LEGO NXT mediante
un’interfaccia RS232-RS485 realizzata, assieme ai sui driver per NXT, dall’Università Politecnica delle Marche.
NI 1762 Smart Camera, dotata di processore PowerPC a 533 MHz e coprocessore DSP a 720 MHz Texas Instruments, è un target real-time per
applicazioni di visione industriale. Il sensore immagini CCD Sony ad elevata qualità è in grado di acquisire immagini monocromatiche a risoluzione VGA
(640 x 480) a 60 fotogrammi al secondo. Il coprocessore DSP offre migliori prestazioni (fino a 4X) per il riconoscimento ottico del carattere, pattern
matching e lettura della scena. Gli I/O della telecamera includono due input e due output digitali optoisolati, una porta seriale RS232 e due porte Ethernet
gigabit. NI 1762 include anche supporto encoder in quadratura e un controller di corrente per illuminazione fino a 500 mA continui o 1 A impulsati. Il
riconoscimento di NXT2 da parte di NXT1 avviene grazie agli algoritmi di visione artificiale realizzati in LabVIEW all’Università degli Studi Roma Tre,
mentre l’interfaccia in LabVIEW per il controllo remoto della locomozione del robot è stata realizzata dall’Università Politecnica delle Marche.
Informazioni sull'autore:
M. Carastro
ZETEMA (http://www.zetema.it)
[email protected] (mailto:[email protected])
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Figura 1: Vista dell'arena
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Figura 2: Struttura di NXT2 e NXT3
Figura 3: Struttura di NXT1
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Informazioni Legali
Questo case study (questo "case study") è stato fornito da un cliente di National Instruments ("NI"). QUESTO CASE STUDY È FORNITO SENZA NESSUN TIPO DI
GARANZIA ED È SOGGETTO AD ALCUNE LIMITAZIONI PIÙ SPECIFICATAMENTE DESCRITTE NEI TERMINI D’USO DI NI.COM
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