Robot e schede di controllo

Spiega con parole tue quali tre cose fa un robot perché lo consideriamo tale: percepire l'ambiente, elaborare quelle informazioni e agire sul mondo. Applicalo a un robot aspirapolvere: con che cosa «sente» la stanza, che cosa «decide» e che cosa «fa».

La figura mostra la catena di funzionamento di un robot mobile che evita gli ostacoli, ma l'anello centrale è coperto.

Indica quale elemento del robot è coperto nella catena (il suo «cervello») e spiega il ruolo di ciascuno dei tre anelli: quali dati raccoglie il sensore, che cosa fa l'elemento coperto con quei dati e quale comando ricevono i motori quando c'è un ostacolo vicino.

Decidi quali di questi apparecchi sono robot e quali no, giustificandolo con la catena sentire-decidere-agire: (a) un robot aspirapolvere, (b) un'auto telecomandata, (c) un semaforo che cambia da solo con il tempo e (d) un drone che mantiene la quota da solo. Che cosa manca a quelli che non sono robot?

I sensori sono i «sensi» del robot. Collega ogni sensore a ciò che percepisce: (a) sensore di distanza a ultrasuoni, (b) sensore di luce, (c) sensore di contatto o pulsante e (d) sensore di inclinazione, con queste situazioni: il robot rileva di essere caduto su un fianco, si accorge di aver urtato contro la parete, misura a che distanza si trova l'ostacolo e distingue il giorno dalla notte.

Il sensore a ultrasuoni misura la distanza dall'oggetto più vicino: emette un suono e misura quanto tempo impiega l'eco a tornare. Spiega quale dato arriva al programma (un numero: i centimetri) e scrivi due regole di decisione che usino quel dato: una per fermare il robot prima di urtare e un'altra perché avanzi solo se il corridoio è libero.

Il robot segui-linea funziona in classe ma sbaglia nel corridoio: il pavimento è diverso e c'è più luce. Spiega perché i robot vanno provati e regolati nel luogo reale in cui dovranno lavorare (i sensori leggono valori diversi a seconda del pavimento e della luce) e che cos'è «calibrare» un sensore prima della prova.

Gli attuatori sono le parti del robot che agiscono sul mondo. Classifica questi elementi in sensore o attuatore: motore, altoparlante, sensore di temperatura, luci LED, sensore di distanza, vibrazione del cellulare e telecamera. Spiega con una frase la differenza generale tra gli uni e gli altri.

La scheda di controllo (come micro:bit o Arduino) è il cervello del robot. Spiega con parole tue che cos'è una scheda di controllo: quali tre cose colleghiamo ad essa (sensori, attuatori e il programma che scriviamo) e perché si dice che è programmabile: chi decide ciò che fa il robot, la scheda o chi la programma?

micro:bit e Arduino sono le due schede scolastiche più usate. Confronta ciò che sai o cerca informazioni su di esse: quale ha già luci, pulsanti e sensori integrati, pronta all'uso senza cavi, e quale è più aperta per montare circuiti con componenti. Scegline una per il tuo primo robot schiva-ostacoli e giustifica la scelta.

Classifica questi componenti di un robot in ingressi (portano informazioni alla scheda) o uscite (ricevono comandi dalla scheda): pulsante di avvio, sensore di linea, motore della ruota, luce LED di stato, cicalino e sensore d'urto. Spiega che relazione ha questa classificazione con la catena sentire-decidere-agire.

Programmiamo il robot a blocchi: una sequenza è «avanza per 2 secondi, gira a destra di 90°, avanza per 2 secondi». Descrivi il percorso che il robot disegnerà sul pavimento eseguendo quella sequenza due volte di seguito e spiega quale differenza c'è tra una sequenza e un ciclo in un programma di movimenti.

Un computer normale ha anch'esso ingressi e uscite (tastiera, schermo), ma non è un robot. Spiega la differenza fondamentale: il robot agisce fisicamente sul mondo (si muove, afferra, aziona meccanismi) mentre il computer lavora soprattutto con informazioni. Fai due esempi che illustrino questa differenza.

La figura mostra il diagramma di flusso del programma di un robot che evita gli ostacoli, ma la domanda del rombo è coperta.

Scrivi la domanda che dovrebbe stare nel rombo perché il robot funzioni (che cosa misura il sensore e con quale valore viene confrontato) e spiega il comportamento completo del robot con questo diagramma: che cosa fa quando non c'è nulla davanti e che cosa fa non appena rileva un ostacolo.

Il programma «segui la parete» ripete per sempre questa logica: se il sensore di destra vede la parete lontana, gira a destra; se la vede vicina, gira a sinistra; altrimenti, prosegui dritto. Spiega quale ruolo hanno il ciclo «per sempre» e i condizionali, e descrivi quale percorso farà il robot lungo una parete con un angolo rientrante.

Vuoi che il robot disegni un quadrato sul pavimento con un pennarello. Scrivi il programma usando un ciclo «ripeti 4 volte»: quali due comandi vanno dentro il ciclo (avanza e gira) e di quale angolo deve girare ogni volta. Spiega che cosa cambierebbe nel programma per disegnare un triangolo equilatero invece di un quadrato.

Descrivi il ciclo completo sentire-decidere-agire di un robot aspirapolvere durante un minuto di lavoro: quali sensori usa (distanza, urto, dislivello delle scale), quali decisioni prende con quei dati (cambiare direzione, tornare alla base se la batteria è quasi scarica) e quali attuatori muove in ogni caso.

La figura mostra, vista dall'alto, un robot segui-linea con due ruote motrici indipendenti e due sensori a infrarossi (a e b) che distinguono la linea scura dal pavimento chiaro.

Un gruppo della classe ha programmato il robot con questa regola: «Se il sensore a (sinistro) rileva nero, accendi al massimo il motore sinistro per correggere la rotta; se il sensore b (destro) rileva nero, accendi al massimo il motore destro». Durante la prova, il robot esce dalla pista verso destra alla prima curva a sinistra.

1. Giustifica perché il ragionamento del gruppo non funziona: verso quale lato gira realmente un robot differenziale quando acceleri solo la ruota sinistra e che cosa dovrebbe fare ciascun motore per girare a sinistra?

2. Progetta la tabella di controllo completa per i due motori (motore sinistro e motore destro: avanzare, fermarsi o retrocedere) nei 4 casi possibili dei sensori a e b (bianco/bianco, nero/bianco, bianco/nero, nero/nero).

3. Qualcuno afferma: «È impossibile che un robot segua una linea con un solo sensore». Dimostra che questa affermazione è falsa spiegando quale strategia di movimento dovrebbe seguire un robot con un solo sensore a infrarossi per rimanere sulla pista.

Progetta il programma di un ventilatore automatico con micro:bit: deve accendere il ventilatore quando la temperatura supera $28\ \text{°C}$ e spegnerlo quando scende sotto $25\ \text{°C}$. Scrivi la logica con cicli e condizionali (a parole, non in codice) e spiega perché si lasciano due soglie diverse invece di una sola (che cosa accadrebbe se si accendesse e si spegnesse con lo stesso valore esatto).

Il robot schiva-ostacoli urta sempre dal lato destro. Fai la diagnosi come un'ingegnera: elenca tre possibili cause in ordine dalla più alla meno probabile (un motore più lento, il sensore orientato male, un errore nel programma di rotazione) e descrivi la prova concreta che faresti per escludere ciascuna senza smontare il robot.

Un'azienda di consegne prova due quadricotteri durante una giornata con vento a raffiche di $35\ \text{km/h}$:

• Drone A (radiocomandato): un operatore a terra osserva il volo con il binocolo e muove le leve del radiocomando per compensare gli spostamenti.

• Drone B (autonomo): non ha un telecomando; il suo microcontrollore legge 100 volte al secondo un accelerometro, un giroscopio, un barometro e un ricevitore GPS per governare i quattro motori in modo indipendente e mantenersi in un punto fisso.

• Prevedi che cosa accadrà a ciascun drone quando una raffica improvvisa di vento spinge entrambi di $2\ \text{m}$ verso un lato: confronta la rapidità di reazione e la precisione dei due sistemi spiegando la causa della differenza.

• Individua nel Drone B la catena di controllo completa: quali grandezze fisiche misurano i suoi sensori, quale calcolo o comando genera il processore e che cosa fanno gli attuatori per correggere l'inclinazione.

• A partire dal concetto di sistema di controllo automatico ad anello chiuso rispetto all'anello chiuso da un operatore umano (teleoperazione), giustifica perché il Drone B è rigorosamente un robot secondo la definizione tecnologica e perché è un errore pubblicitario chiamare «robot» il Drone A.

Un robot mobile dotato di un sensore a ultrasuoni avanza in linea retta verso una parete a una velocità costante di $40\ \text{cm/s}$. Il sensore impiega $0,05\ \text{s}$ per eseguire ed elaborare ogni misura, e i motori hanno bisogno di ulteriori $0,30\ \text{s}$ per frenare e cambiare il senso di rotazione una volta che la scheda emette il comando.

1. Calcola la distanza percorsa dal robot dall'istante in cui il sensore rileva un ostacolo fino a quando il robot si ferma completamente.

2. Nel programma del robot è stata impostata l'istruzione: «se distanza < $12\ \text{cm}$, allora frena e gira». Prevedi con dati numerici se il robot urterà la parete o se riuscirà a evitarla in tempo, e calcola qual è la soglia di distanza minima di sicurezza che dovrebbe essere impostata.

3. Se il robot dispone di due modalità di velocità ($15\ \text{cm/s}$ e $60\ \text{cm/s}$), spiega perché una soglia di distanza fissa è inadeguata e progetta una formula o una regola logica perché la scheda regoli automaticamente la distanza di frenata in funzione della velocità a cui si muove.

Un robot ha due sensori contemporaneamente: uno di ostacoli e uno di linea nera sul pavimento (che segna un precipizio giocattolo). Progetta le priorità del programma: che cosa deve comandare se rileva ostacolo e bordo insieme, in quale ordine si valutano le condizioni e che cosa succede se si cambia l'ordine delle domande. Giustifica la tua gerarchia pensando alla sicurezza del robot.

Un gruppo di progettisti crea una protesi robotica mioelettrica per la mano di una persona. La protesi ha un sensore di impulsi muscolari sull'avambraccio, un microcontrollore, servomotori che muovono le dita e un sensore di pressione sul polpastrello dell'indice.

1. Descrivi la catena funzionale completa del sistema quando l'utente cerca di afferrare un uovo: indica quale segnale capta il sensore muscolare, che cosa calcola la scheda, che cosa fanno i servomotori e quale informazione fondamentale restituisce alla scheda il sensore di pressione.

2. Prevedi che cosa accadrebbe se la protesi funzionasse ad «anello aperto» (cioè senza sensore di pressione sulle dita, dipendendo unicamente dalla forza esercitata dal muscolo dell'avambraccio dell'utente).

3. Immagina che il sensore di pressione si guasti per un urto e resti bloccato inviando sempre una lettura di «$0\ \text{N}$» (pressione nulla). Analizza il rischio che ciò comporta sia per l'oggetto sia per i motori della protesi, e progetta una misura di sicurezza (via programma o con un sensore complementare) per evitare danni quando si verifica questo guasto.

«Il robot ha deciso di investire il vaso»: analizza questa frase fatta in casa e argomenta perché è ingannevole: chi ha deciso realmente il suo comportamento, dove stavano i limiti dei suoi sensori e del suo programma, e quale responsabilità abbiamo noi che programmiamo macchine che agiscono nel mondo. Concludi con due regole che dovrebbe rispettare ogni robot domestico.

Sfida del tema. Progetta il prototipo virtuale di un robot climatizzatore per ottimizzare il comfort termico della tua casa usando una scheda di controllo.

1. Raccolta di dati reali: Consulta sul sito ufficiale del servizio meteorologico dell'Aeronautica Militare le temperature massime registrate nel tuo comune negli ultimi $3$ giorni e calcola la loro media aritmetica (per esempio, $26,4$ °C). Questo valore sarà la soglia di attivazione.

2. Progettazione e simulazione: Nel simulatore gratuito MakeCode per micro:bit (o Tinkercad), pianifica l'architettura del robot individuandone le tre parti essenziali: scheda di controllo, sensore (termometro interno) e attuatore (servomotore che simula l'apertura di una griglia o un avviso sulla matrice LED).

3. Programmazione: Programma l'algoritmo di controllo con i blocchi. Deve leggere continuamente la temperatura e, se questa supera la soglia calcolata, attivare l'attuatore; in caso contrario, resterà a riposo.

4. Relazione finale: Redigi una breve relazione (massimo $1$ pagina in LibreOffice Writer) che comprenda i dati dell'Aeronautica Militare, la giustificazione dei componenti scelti e una schermata del codice funzionante nel simulatore.

Verranno valutati:

• Rigorosa raccolta dei dati reali dell'Aeronautica Militare e corretto calcolo della soglia termica.

• Individuazione precisa e motivata della scheda di controllo, dei sensori e degli attuatori del robot.

• Algoritmo funzionante e privo di errori nel simulatore secondo le condizioni date.

• Qualità tecnica, chiarezza e ordine nella stesura della relazione finale.