Robot spalaneve controllato tramite joystick wireless della PlayStation

Robot cingolato basato su Arduino Uno,
comandato a distanza grazie al controller wireless della Play Station 2.

Anche quest’anno probabilmente arriverà la neve. Molti lo sperano (soprattutto gli studenti, cui fornisce una scusa per rimanere a casa da scuola): gli appassionati degli sport invernali la desiderano in montagna, i bambini per giocare a palle di neve o realizzare il proprio pupazzo, i nostalgici la aspettano vuole per la notte di Natale, ma c’è anche chi la vuole per la sola soddisfazione di godersi un panorama imbiancato caratterizzato da quei suoni ovattati che conferiscono alla neve qualcosa di unico.

Indubbiamente la neve è bellissima, o meglio, lo sarebbe se non limitasse i nostri movimenti in auto e se non dovessimo spalarla per uscire di casa o dal proprio garage, per rendere agibile il marciapiede, il vialettto, l’ingresso di un negozio, le aree di parcheggio o altro.

Dopo molti anni che si vedono in nazioni come Canada, Stati Uniti d’America e non solo, anche in Italia sono arrivate presso in centri del fai da te le cosiddette “Frese per la neve”: se ne trovano ormai di vari modelli e dimensioni, alimentate dalla corrente elettrica di casa o a benzina, da spingere a mano o da guidare come un trattorino. A seconda del modello, queste macchine sono in grado di rimuovere, sparandola a lato, piccole o grosse quantità di neve.

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I Fatti Vostri del 10/01/2017 dal minuto 1:05:00 circa
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Noi che non siamo insensibili alle soluzioni per semplificare la vita, abbiamo preso in considerazione l’idea di realizzare e proporre qualcosa che ci evitasse il freddo e la fatica di utilizzare le solite pale a mano, tuttavia abbiamo deciso l’idea di fare non una replica di ciò che si trova i commercio, ma qualcosa di divertente e tecnologico.

Abbiamo quindi deciso di mettere in cantiere un Robot Spazzaneve controllato a distanza, nel quale fanno bella mostra di loro una robusta meccanica e una raffinata elettronica tutta implementata con schede facilmente reperibili in commercio.

Il risultato è la versione miniatura di uno spazzaneve vero, con tanto di cingoli, pala e proiettore montato sulla sommità per illuminare la strada al buio; il tutto si comanda mediante un joystick wireless della PlayStation.

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La meccanica

Dal lato meccanico, il robot spazzaneve consta di un telaio che sostiene una pala motorizzata per essere sollevata e orientata lateralmente e che supporta il sistema di trazione a motori elettrici, ruote e cingoli.

Il telaio
Inizialmente si era pensato di realizzare l’intera struttura con tubolari in allumino tenuti insieme da angolari, ma date le elevate sollecitazioni meccaniche cui sarebbe stato sottoposto e la robustezza richiesta, abbiamo deciso di utilizzare, per la base, quattro tubolari di ferro a sezione rettangolare saldati insieme, ottenendo così un rettangolo da 600×375 mm (Fig.1).

Come base d’appoggio per i vari componenti meccanici, abbiamo utilizzato una piastra di alluminio 600×375 spessa 3 mm fissata sopra la base del telaio in ferro. Due profilati di alluminio 30×30 mm lunghi 190 mm montati verticalmente, più due orizzontali 30x30x580 mm lato lungo) e altrettanti da 30x30x375 mm (lato corto), sono state utilizzate come scheletro cui applicare la copertura esterna del robot, quest’ultima realizzata utilizzando 5 pannelli in alluminio da 3 mm di spessore; per fissare i montanti alla base, bisogna praticare nella loro sezione un foro 8MA, poi filettato.

Due staffe a “L” in alluminio sono fissate, sempre sulla parte frontale del telaio, e servono da supporto per i due attuatori lineari che permettono alla pala di ruotare a destra e sinistra.

Il sistema di trazione
Il movimento dello spazzaneve è affidato a quattro ruote per carrelli, dotate di pneumatici e mozzo provvisto di cuscinetto a sfera con foro del diametro di 16 mm; ogni ruota ha un diametro esterno di 26 cm e pneumatico largo circa 8,5 cm.

Facilmente reperibili in molti centri del fai da te, queste ruote sono in grado di sopportare (singolarmente) un peso di 150 kg, per un totale di 600 kg, quindi più di quello che ci serve per il nostro robot. Per gli assi delle ruote sono state utilizzate delle barre filettate da 16 mm di diametro, lunghe 63 cm, fatte passare attraverso dei supporti in alluminio e qui bloccate, facendo in modo che da ogni lato del telaio escano in misura uguale. I supporti sono fissati alla base inferiore del telaio del robot.
Per bloccare le ruote alla giusta distanza (lato verso il supporto) si può optare per due soluzioni; dado e controdado, oppure, come nel nostro caso, saldare un dado direttamente sulla barra filettata. Per la prima soluzione, una volta fatto ciò bisogna inserire un dado 16 MA nella barra filettata, avvitarlo fino a farlo arrivare a circa 7 cm dal supporto della barra, verificare più volte la misura e quindi saldarlo. Lo stesso vale per l’altro lato e l’altra barra.

Per montare la corona su ogni ruota, bisogna togliere i quattro bulloni originali e ricavare altri quattro fori, di pari diametro, che combacino con quelli della rispettiva ruota; per posizionare i fori con precisione, conviene creare una dima in cartoncino ricavando l’interasse dei fori delle ruote. Forate le corone, bisogna inserire i quattro da 8MA lunghi 100 mm e avvitare un dado autobloccante in modo da fissare il bullone al cerchio della ruota; poi si inserisce un altro dado autobloccante (o dado e controdado) ad una distanza di circa 72 mm dal dado avvitato nel lato interno del cerchio. Ora si può applicare la corona, centrandone i fori rispetto ai quattro retrostanti e avvitate con quattro dadi ben stretti. Fatto ciò, si monta la ruota: se tutto è corretto avrete i dadi della corona ad una distanza massima di 10 mm dal telaio.

Su ogni asse si devono inserire i dadi autobloccanti 16 MA. Esternamente, le due ruote sono distanziate e tenute in tensione tramite una barra angolare di allumino da 30×30 mm, spessa 2 mm e vanno fissate tramite un bullone al centro della barra filettata. Quando abbiamo abbassato la pala per spalare ci siamo accorti che era necessario aumentare l’aderenza utilizzando dei cingoli (o delle ruote adatte, tipo quelle dei trattorini), ma abbiamo deciso di trovare una soluzione alternativa. Prendendo spunto dalle varie soluzioni trovate in Internet, e adattandole alla nostre esigenze, abbiamo realizzato dei cingoli “casalinghi” utilizzando quattro confezioni di catene per bicicletta da 1/2”x1/8” con 114 maglie ciascuna (due per lato, per un totale di 120 maglie, corrispondenti a una lunghezza di circa 166 cm), 40 angolari in alluminio (mm) 12×12 lunghi 120 con spessore 2 e 80 bulloni 5MA lunghi 50 mm e relativi dadi autobloccanti.

Gli angolari in alluminio, distanziati dal centro di un bullone al centro dell’altro di 8 cm, oltre che a tenere insieme e parallele le catene di ciascuna coppia costituente un cingolo (avvolte intorno alla relativa coppia di ruote) permettono di avere la giusta aderenza al manto nevoso. Su ogni angolare vanno praticati due fori, nei quali bisogna inserire due bulloni 5MA x 50 mm, necessari a fissarli alla catena ed evitando che le catene scivolino da un lato o dall’altro.

Per abbinare le ruote al pignone del motore MY1016, è stato necessario procurarsi due catene a passo corto (tipo quelle dei monopattini elettrici o delle minimoto), montare sulle due ruote motrici due corone di diametro 155 mm a 76 denti e distanziarle di circa 35 mm dalla ruota (lato interno del pneumatico) tramite 4 bulloni 8MA x 100 mm. Per fissare i motori abbiamo utilizzato dei supporti, ricavati da due barre rettangolari di ferro (mm) 30×20 lunghe 375 e forate. Partendo dall’esterno, il primo foro si trova a circa 14 mm, mentre il secondo a 42 mm dal primo; questa distanza corrisponde ai fori del motore (parte più stretta della staffa del motore). Sulla barra sono stati praticati due fori, a 110 mm dall’esterno e da entrambi i lati, necessari per il fissaggio alle due barre verticali da 190 mm. La stessa foratura è stata fatta per la seconda barra. Le due barre verticali da 19 mm, una volta saldate alla base del telaio, sono state forate a una distanza (partendo dalla base del telaio) di circa 44 mm per il primo foro (a forma di asola) e 139 mm per il secondo foro (sempre a forma di asola). A questo punto non rimane che fissare i motori, orientando il pignone verso l’esterno e verificando che sia in linea con la corona della ruota.

La pala

La parte meccanica, un po’ più complessa, è quella del supporto ella pala e del suo movimento. Per realizzare la pala abbiamo utilizzato una lastra di acciaio rettangolare da 650×250 mm, spessa 2 mm, che poi abbiamo leggermente curvato (sopra e sotto, lato lungo) per agevolare la spalatura della neve. Per la struttura meccanica che supporta la pala e permette di muoverla, abbiamo utilizzato uno scatolare di ferro da 30×20 mm lungo 265 mm, tagliato all’estremità con la richiesta angolazione, uno scatolare di ferro 40×20 mm lungo 13 cm, un profilato rettangolare da 30×20 mm lungo 46 mm, una traversa ad incastro lunga 600 mm (utilizzata per i ripiani/scaffalie reperibile presso i centri del fai da te), un supporto con cuscinetto da 16 mm e due scatolari da 40×30 mm lungo 26,5 cm tagliato all’estremità la richiesta angolazione.

Abbiamo quindi realizzato un perno in alluminio lungo 11 cm (f 12 mm tranne che nei primi 5 mm, dove ha f 14 mm) da inserire nel cuscinetto da 12 mm, nella parte superiore del quale è stato praticato un foro da 5 mm, poi filettato, per fissare, mediante un bullone 5MA, la staffa per l’attuatore lineare che permette di alzare e abbassare la benna. La seconda staffa dell’attuatore è stata fissata al centro della barra con lunghezza 265 mm. Per ruotare a destra e sinistra la pala, abbiamo utilizzato per ogni lato due staffe a L in alluminio da 50×50 mm, larghe 40 e spesse 5, forate e avvitate inserendo tra le due una rondella. Una coppia di L è stata fissata, tramite due bulloni, nella parte inferiore (lato sinistro) del telaio e l’altra a quello destro. A una staffa della coppia di L è stata fissata la relativa staffa per l’attuatore lineare. La seconda staffa dell’attuatore destro e sinistro è stata fissata sulla struttura a triangolo della pala.

Prima di forare e fissare i tre attuatori lineari sul triangolo della pala, bisogna prendere i due attuatori lineari che servono per ruotare a destra e sinistra la pala, applicare 12 Vcc a uno dei due in modo da avere l’estensione massima, mentre l’altro deve risultare completamente contratto. Ora vanno collegati i fili di alimentazione dei due attuatori in modo da avere il positivo del 1° attuatore collegato con il negativo del 2° e il negativo del 1° sul positivo del 2°. Bisogna quindi alimentare la coppia di fili degli attuatori e togliere tensione appena hanno raggiunto la stessa estensione.

L’elettronica

La parte elettrica ed elettronica dello spazzaneve è basata su Arduino Uno, che ospita tre shield e si interfaccia con queste schede:

• il driver per motori DRI0018;
• il circuito a relé RELAY1CH;
• il DC/DC converter elevatore STEPUP30V.

Gli shield montati su Arduino sono il motor shield (cod. VMA03) per controllare i tre motori lineari che gestiscono il movimento della pala, e il PS2SHIELD, che permette di interfacciarsi con la console della PlayStation 2 (PS2); quest’ultimo richiede che vi sia montato, inserendolo nell’apposito connettore, l’RX-PS2, che è un ricevitore radio a 2,4 GHz specifico per ricevere i comandi dalla predetta console. Tutte le schede e gli elementi utilizzati nel circuito si possono acquistare da Futura Elettronica, www.futurashop.it con i codici indicati nel disegno.

Lo schema di cablaggio della macchina è quello che trovate in queste pagine; la fonte di alimentazione è costituita da una serie di due accumulatori a piombo gel da 7,2 Ah: nel punto intermedio dei due preleviamo 12 V, mentre tra il negativo e il positivo della serie prendiamo i 24 volt. Le due linee di alimentazione sono sezionate da un interruttore da 125V, 2×15 ampere.
Con i 12 volt facciamo funzionare Arduino, il quale alimenterà la logica degli shield attraverso i propri pin-strip; il LED (dotato internamente della resistenza di limitazione) indicherà quando Arduino è sotto tensione. Con i 12 volt si alimenta anche la sezione di potenza del motor shield (cod. VMA03); infatti, visto l’assorbimento dei tre attuatori lineari (cod. LACT2), è sconsigliabile prendere i 12 V da Arduino: bisogna optare per l’alimentazione esterna, da fornire all’apposita morsettiera PWR. Per prendere l’alimentazione esterna, bisogna spostare il jumper dello shield vicino alla morsettiera, tra il centrale e l’EXT. La gestione dello shield richiede un’apposita libreria per Arduino, fornita a corredo. Ciascun attuatore lineare è composto da un motoriduttore a 12 Vcc che utilizza una vite senza fine per spostare un albero avanti e indietro lungo la sua lunghezza (escursione massima di 5 cm). L’attuatore ha un coefficiente di carico dinamico di 50 kg e una velocità massima di 1,3 cm/s.
È in grado di sostenere fino a circa 250 kg, quando non si muove, e la coppia a vite assicura il mantenimento della posizione dell’albero anche in assenza di alimentazione. Due interruttori di limitazione garantiscono l’arresto del motore quando arriva alla massima estensione e contrazione, mentre i diodi permettono di invertire la direzione dopo aver raggiunto il punto limite. L’attuatore è in metallo ed è sigillato per proteggerlo dalla polvere e dall’acqua (IP63 nominale). Passiamo adesso alla linea di alimentazione a 24 volt, con cui viene fatta funzionare la parte di potenza dello spazzaneve, vale a dire la trazione e la sezione del proiettore (opzionale): la prima si basa sul driver per motori di potenza (cod. DRI0018), da collegare con quattro fili ad altrettante linee digitali di Arduino. Il DRI0018 è un doppio driver di potenza a ponte in grado di gestire due motori brushed in continua con una tensione di alimentazione max. di 35 Vcc e una corrente di 15 A (ciascuno). Interfacciandolo ad Arduino e utilizzando solo 4 I/O digitali (2 PWM), è possibile scegliere il verso e la velocità di rotazione dei motori. Il circuito dispone di quattro pin di controllo, quattro LED che indicano la direzione di rotazione dei motori, due pin per l’alimentazione della scheda (5 Vdc) e due dissipatori di calore in alluminio situati nella parte posteriore del circuito stampato, necessari a smaltire il calore sviluppato nel funzionamento alla massima potenza. Per la gestione del driver da parte di Arduino, il costruttore fornisce a corredo un’apposita libreria.

Le morsettiere di uscita permettono di collegare i due motori, da connettere secondo l’indicazione dello schema (non scambiate la polarità, altrimenti i cingoli gireranno al contrario!) utilizzando cavi di diametro pari almeno a 1,5 mmq. Quanto agli ingressi di comando, va rispettata la connessione tra Arduino e il connettore a passo 2,54 – 2 file del controller indicata nella Tabella 1; la corrispondenza vale a patto di usare la libreria fornita dal costruttore e il nostro firmware: se li modificate, dovete rivedere di conseguenza le connessioni. Ricordate che i DIR sono i livelli logici che impongono la direzione di rotazione dei motori e i PWM i segnali PWM da fornire ai driver di potenza. Per identificare i contatti del connettore del controller è sufficiente riferirsi alla serigrafia visibile accanto ad esso sul lato componenti dello stampato. Oltre al controller dei motori, i 24 volt vanno ad alimentare la sezione del proiettore a LED, che potete montare o meno; se la montate, rispettate il cablaggio indicato e ricordate di far passare il positivo dei 24 V dalla scheda a relè (cod. RELAY1CH). Quest’ultima ospita un relé e il rispettivo transistor di comando, controllato da Arduino mediante il Digital I/O 13; Arduino fornisce anche l’alimentazione alla scheda, mediante il 5V e la massa (GND).

La scheda a relé permette di accendere e spegnere il proiettore, intervenendo sull’alimentazione del circuito corrispondente. Il proiettore è progettato per funzionare a 220 Vac, tuttavia siccome questa tensione non è disponibile a bordo del robot, per evitare di usare un inverter abbiamo modificato il proiettore aprendolo, rimuovendo l’alimentatore AC/DC e portando i due fili del LED di potenza all’uscita del converter DC/ DC (cod. STEPUP30V); quest’ultimo è uno switching a tensione d’uscita regolabile, che va registrato in modo da fornire al corpo a LED del proiettore una corrente tale da farlo lavorare a circa 10 watt. Di solito ciò si ottiene a circa 30 volt. Comunque ricordate che la potenza è data dal prodotto VxI, quindi corrente per tensione (si ottiene in watt se V è espressa in volt e I in ampere), quindi a 30 V, la corrente assorbita dev’essere poco sotto i 340 mA. Sebbene il gruppo di LED sia internamente protetto da sovracorrente, considerato che lo STEPUP30V ha una limitazione della corrente di uscita a 2A, può essere utile sostituirlo con un DC/DC elevatore dotato di regolazione della corrente di uscita; un valido esempio è reperibile sul sito www.futurashop.it ed è codificato come STEPUP30VADJ. Della ricezione dei dati provenienti dal telecomando si occupa lo shield PS2SHIELD, per il quale il costruttore rende disponibile la specifica libreria; nel Listato 1 potete vedere un esempio di sketch per implementare la ricezione sulla seriale di Arduino dei comandi trasmessi dai pulsanti della console PS2. Lo shield effettua la ricezione e la decodifica dei comandi; la parte radio è staccata e corrisponde all’RX_PS2, che va inserito nell’apposito connettore. L’ultima cosa da notare è la fotoresistenza, impiegata per far rilevare ad Arduino l’illuminazione dell’ambiente e comandare la scheda RELAY1CH in modo che il proiettore a LED venga acceso; il componente è alimentato a partitore di tensione da un resistore da 10 kohm (1/4 di watt) e viene letto dall’input analogico A0 di Arduino. I 5 volt vengono prelevati dal 5V di Arduino. Il funzionamento dell’insieme è semplice: in condizioni di buona illuminazione, la resistenza del fotoresistore è bassa e la tensione letta dall’ADC del microcontrollore di Arduino è bassa e non fa scattare il comando della scheda relé; al buio la resistenza incrementa molto e l’ADC legge una tensione prossima ai 5 volt, che causa l’accensione del proiettore.

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possiamo anche personalizzarlo, richiedi un preventivo registrandoti ed inviando una email.

Presso Futura Elettronica è possibile reperire gran parte degli elementi necessari per questa realizzazione.

 

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I Fatti Vostri del 10/01/2017 dal minuto 1:05:00 circa
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