Corso di Robotica: 1 - Introduzione alla Robotica

1 – Introduzione alla Robotica

Entrare nel mondo della robotica significa confrontarsi con una domanda che sembra semplice ma che in realtà ha acceso dibattiti tra ingegneri, filosofi e scienziati: che cos’è un robot? Non basta pensare all’umanoide di ferro e circuiti che vediamo nei film. Un robot può avere le sembianze di un braccio meccanico, di un piccolo aspirapolvere che si muove per casa, oppure di un veicolo spaziale che esplora Marte senza che nessuno lo guidi in tempo reale.

È un robot o no?

All’inizio della lezione invitiamo la classe a un gioco: mostriamo otto esempi concreti – dall’ascensore all’assistente vocale, dal drone al braccio pick&place – e chiediamo agli studenti di decidere se si tratti o meno di robot. Alcuni casi sono evidenti, altri meno. Un ascensore, ad esempio, compie un’azione programmata, ma non “percepisce” l’ambiente: si muove solo su comando. Un robot aspirapolvere invece capisce quando ha incontrato un ostacolo e cambia direzione, mostrando un minimo di autonomia. Da questo confronto emergono i criteri chiave: percezione, decisione e azione.

L’architettura di un robot

Ogni robot, per quanto complesso o semplice, può essere descritto attraverso cinque elementi fondamentali. Ci sono i sensori, che raccolgono informazioni dall’ambiente; il controllo, che elabora i dati e prende decisioni; gli attuatori, che trasformano le decisioni in movimento o in effetti fisici; la fonte di energia, senza la quale nulla funzionerebbe; e infine la struttura, il telaio o corpo che tiene insieme tutti i componenti.

Un esempio familiare è il robot aspirapolvere: i suoi sensori a infrarossi o LiDAR rilevano la presenza di ostacoli, l’unità di controllo calcola la traiettoria migliore, gli attuatori muovono le ruote e azionano la ventola di aspirazione, mentre la batteria garantisce energia.

Il ciclo Percezione–Decisione–Azione

Per descrivere l’essenza del funzionamento robotico usiamo una catena molto semplice: Percezione → Decisione → Azione. È il cosiddetto ciclo P–D–A. Pensiamo a un robot segui-linea: se il sensore rileva che la linea nera sotto la ruota sinistra è scomparsa, il controllore decide di correggere la traiettoria girando verso sinistra. In questo modo il robot torna sul percorso corretto.

Questo processo può essere formalizzato anche con un diagramma a stati finiti: lo stato “Avanza” diventa “Correzione” quando la linea non è centrata; torna ad “Avanza” quando l’errore è corretto; infine può entrare nello stato “Stop” se raggiunge un traguardo. Questi modelli, pur essendo astratti, aiutano a progettare comportamenti prevedibili e verificabili.

Per rendere più concreta la spiegazione possiamo introdurre un piccolo calcolo. Se un robot aspirapolvere consuma 20 watt e la sua batteria ha capacità di 60 Wh, possiamo stimare la durata operativa dividendo energia disponibile per consumo:

$$t = \frac{60 \, \text{Wh}}{20 \, \text{W}} = 3 \, \text{ore}$$

Questo tipo di ragionamento mostra come la progettazione di un robot sia sempre intrecciata con considerazioni pratiche di energia e tempo di lavoro.

Storia, applicazioni ed etica

Per comprendere i robot di oggi dobbiamo guardare indietro. Gli studenti lavorano su una linea del tempo che parte dagli automi antichi e arriva ai robot collaborativi e sociali contemporanei. Alcuni eventi segnano veri spartiacque: nel 1961 Unimate entra in fabbrica come primo robot industriale; pochi anni dopo Shakey diventa il primo robot mobile dotato di intelligenza artificiale rudimentale; più tardi arrivano i rover marziani, gli umanoidi come ASIMO, la chirurgia robotica e i droni.

Le applicazioni odierne sono vastissime: dalla logistica al retail, dall’agricoltura di precisione alla medicina, fino alla robotica spaziale. In classe ci si muove come in un “carosello”: ogni gruppo visita due stazioni tematiche e completa una mini-scheda con il problema affrontato, il robot impiegato, i sensori e gli attuatori utilizzati, il valore creato e i possibili limiti.

Non possiamo dimenticare sicurezza ed etica. In laboratorio la prima regola è proteggere se stessi e gli altri: mani lontane da parti in movimento, alimentazioni scollegate prima di intervenire, occhiali protettivi quando serve. Ma la sicurezza non è solo fisica: riguarda anche l’impatto sociale, l’affidabilità delle decisioni automatiche, i rischi di bias e la sostenibilità ambientale. Un’attività rapida con post-it stimola la riflessione su pro e contro in diversi ambiti applicativi.

Progetto “robot senza codice”

Obiettivo

Far comprendere la logica di controllo robotico (P–D–A) senza scrivere codice, esercitando pensiero logico, lavoro di squadra e progettazione di sistemi.

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Materiali e preparazione

• Fogli A4 / cartoncini per stampare le carte (vedi template più avanti).

• Pennarelli colorati, post-it, forbici, nastro.

• Lavagna o grande foglio per registrare la timeline delle simulazioni.

• (Opzionale) 1 kit robotico pronto (line-follower) per la demo reale.

• Timer/cronometro, fogli di registrazione (log) per ogni gruppo.

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Tipologia di carte

1) Carta Sensore — indica una sorgente di informazione.
Esempi (stampare così):

[SENSORE] Nome: RIFLETTANZA DX
Tipo: fotocellula / IR
Valori possibili: Scuro / Chiaro / Nessun segnale
Icona: ⚫↔️⚪

2) Carta Condizione — regole valutate sul valore del sensore.

[CONDIZIONE] Se RIFLETTANZA SX = Scuro

3) Carta Azione — cosa il robot fa quando la condizione è vera.

[Azione] Gira a sinistra per 0.5s (ruote: sinistra stop, destra avanti)
[Azione] Avanza 10 cm
[Azione] Ferma motore

4) Carta Stato (opzionale) — definisce stati del comportamento (Ricerca, SeguiLinea, Correzione, Stop).

[STATO] SeguiLinea
Descrizione: Normalmente avanza; attiva correzione se sensore sbilanciato.

5) Carta Parametro / Timer — rappresenta durate, soglie, ritardi.

[TIMER] Correzione max: 0.6 s
[SOGLIA] Riflettanza scura < 300 (unità ADC)

Stampare versioni già pronte (testo sopra) su cartoncino; ritagliare e laminare se possibile.

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Fasi del lavoro

Fase 0 — Introduzione rapida

Breve spiegazione degli scopi. Mostra un esempio (aspirapolvere) e il ciclo P–D–A.

Fase 1 — Formare gruppi e scegliere il “robot”

Gruppi da 3–5 studenti. Ogni gruppo sceglie uno scenario (line follower, robot esploratore, robot consegna, robot irrigatore, robot pet feeder).

Fase 2 — Inventario: quali sensori e attuatori servono?

Su A3 elencare sensori e attuatori; disegnare struttura fisica (anche cartone).

Esempio per line follower:

• Sensori: 2 fotocellule (sinistra/destra).

• Attuatori: 2 motori ruote DC.

• Energia: batteria (20 Wh).

• Stato iniziale: Ricerca.

Fase 3 — Progettare stati e regole

Costruire carte condizione + azione. Assegnare priorità alle regole (es. Stop > Emergenza > Correzione > Avanza).

Regole esempio (line follower):

1. Se sensore centrale = bianco e sensore sinistro = bianco e sensore destro = bianco → Ricerca/Avanza a zigzag

2. Se sinistro = scuro e destro = chiaro → Gira sinistra (correzione breve)

3. Se destro = scuro e sinistro = chiaro → Gira destra

4. Se entrambi = scuro → Avanza diritto

5. Se sensore urto = urto → Stop immediato

Scrivete ogni regola su una singola carta (CONDIZIONE → AZIONE), numeratele per priorità.

Fase 4 — Simulazione a turni

Simulate la vita del robot in “turni” (ogni turno = 1 s). Un cronista per gruppo riporta su tabella: tempo t, valori sensori, regola attivata, stato risultante, azione eseguita.

Esempio di tabella (line follower)

t (s)	Sinistro	Destro	Regola attivata	Azione	Stato successivo
0	chiaro	chiaro	1 (ricerca)	gira dx	Ricerca
1	scuro	chiaro	2 (correzione)	gira sx 0.4s	Correzione
2	scuro	scuro	4 (dritto)	avanza	SeguiLinea
3	chiaro	scuro	3 (correzione dx)	gira dx 0.3s	Correzione
4	scuro	scuro	4	avanza	SeguiLinea

Mostrate il processo passo-passo, chiedendo: perché è stata attivata questa regola e non un’altra? Questo aiuta a capire priorità e conflitti.

Fase 5 — Debugging e affinamento

Osservate oscillazioni o loop (es. robot che gira continuamente). Strategie di correzione:

• Aggiungere accuratezza nei timer (limitare tempo di correzione).

• Hysteresis: una condizione “scuro” diventa tale solo se lettura < Soglia1, e torna “chiaro” solo se > Soglia2 (riduce rimbalzi).

• Priorità: inserire regola di emergenza (urto) con priorità massima.

• Debounce: richiedere due letture identiche consecutive per considerare la condizione vera.

Fase 6 — Presentazione

Ogni gruppo presenta: scenario, carte principali, log di simulazione, cosa hanno affinato e perché.

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Esempio pratico: Robot Segui-Linea

Setup carte iniziali (semplificato)

• SENSORE L (Sinistro): valori {Scuro, Chiaro}

• SENSORE R (Destro): valori {Scuro, Chiaro}

• STATO 0: Ricerca

• Regole (priorità crescente):

  1. URTO? → STOP (massima priorità)

  2. L=Scuro & R=Scuro → AVANZA (vel=1)

  3. L=Scuro & R=Chiaro → CORREZIONE SX (gira sx 0.4s)

  4. L=Chiaro & R=Scuro → CORREZIONE DX (gira dx 0.4s)

  5. L=Chiaro & R=Chiaro → RICERCA (gira dx 0.6s)

Simulazione (ruotare turni t=0..5)

Sia la lettura iniziale (t=0): L=Chiaro, R=Chiaro → regola 5 → Ricerca → azione: gira dx 0.6s
Supponiamo dopo giro, a t=1: L=Scuro, R=Chiaro → regola 3 → azione: correzione sx 0.4s → adatta lo stato a SeguiLinea.
A t=2: L=Scuro, R=Scuro → regola 2 → azione: avanza.
A t=3: R=Scuro, L=Chiaro → regola 4 → correzione dx.
A t=4: L=Scuro, R=Scuro → avanza.
A t=5: sensore urto = true → regola 1 → STOP.

Ogni passaggio: registrare tempo, regola scelta e motivo (priorità / condizione soddisfatta). Questo insegna la dinamica decisionale e i problemi pratici (es. oscillazioni).

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Esempio numerico concreto

Supponiamo che il robot (cartone + motori) sia alimentato da una batteria da 20 Wh e che i motori consumino mediamente 5 W. Stimiamo durata operativa:

Calcolo: $t = \dfrac{Energia\_batteria}{Consumo} = \dfrac{20\ \text{Wh}}{5\ \text{W}}$.

Dividiamo passo-passo: 20 diviso 5 = 4 (perché 5×4 = 20). Quindi la durata stimata è 4 ore.
Questo incoraggia a ragionare su tradeoff tra potenza, autonomia e peso.

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Conversione dalla simulazione al robot reale 

Ogni carta corrisponde a un componente/istruzione reale:

• Carta Sensore → sensore fisico (es. fotocellula, sensore IR, bump switch).

• Carta Azione → attuatore fisico (motori, servomotori, rele, LED).

• Carta Condizione → espressione booleana (if sensore_X == valore) in pseudocodice.

• Regola si traduce in:

if (urto) then stop()
else if (L == SCURO && R == SCURO) then forward()
else if (L == SCURO && R == CHIARO) then turn_left(0.4s)
else if (L == CHIARO && R == SCURO) then turn_right(0.4s)
else search()

Questa traccia può essere tradotta in Scratch / blockly o Arduino (C) se si progredisce.

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Gestione conflitti e limitazioni

• Ordina le regole per priorità (emergenza prima di tutto).

• Evita ambiguità: se due regole sono entrambe vere, definire tie-breaker.

• Aggiungi timers per evitare oscillazioni (es. non permettere altra correzione per 0.3 s).

• Usa uno stato “in transizione” quando un’azione non è istantanea.

• Verifica casi limite: perdita di sensore, sensori rumorosi → sostituire con condizione “se lettura non valida allora fallback”.

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Rubrica di valutazione

Criteri (0–3):

• Correttezza tecnica: errori gravi / parziale / quasi corretto / corretto e preciso

• Chiarezza schema P–D–A: assente / incompleta / chiara / chiara + esempi

• Collaborazione: disfunzionale / irregolare / buona / esemplare

• Comunicazione visiva: confusa / essenziale / ordinata / efficace + creativa

• Riflessione etica/sicurezza: assente / accenno / presente / approfondita

Pesi: 30% quiz individuale, 40% progetto di gruppo (rubrica), 30% consegna a casa.

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Esempi di scenari alternativi 

1. Robot consegna in aula: sensore posizione (QR/floor marker), azioni: avanzare, fermarsi, consegnare.

2. Robot irrigazione intelligente: sensore umidità, azione pompa ON/OFF, timer.

3. Robot “pet feeder”: sensore presenza (IR), azione erogazione cibo, timer per quantità.

Per ogni scenario fornite 4–6 carte regola, 2 stati, 1 timer.

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Estensione pratica: demo con line-follower reale 

1. Preparate il percorso (nastro nero su pavimento chiaro).

2. Montate sensori e motori (kit).

3. Caricate comportamento corrispondente alle carte su blocchi o firmware.

4. Eseguite più run, confrontate risultati con simulazione cartacea, registrate log e affinare soglie.

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Problemi comuni e soluzioni rapide

• Robot oscillante → aumentare durata di correzione o applicare hysteresis.

• Non trova la linea → ampliare ricerca (pattern: zigzag) e aumentare sensibilità.

• Regole in conflitto → ristabilire priorità o unificare condizioni in una regola più grande.

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Documenti pronti da stampare

Carta Condizione (template)

[CONDIZIONE]
ID: C1
Se: [SENSORE_NOME] [operatore] [valore]
Es.: Se RIFLETTANZA_SX = SCURO

Carta Azione (template)

[Azione]
ID: A1
Descrizione: [azione concreta]
Durata: [s]
Esempio: Avanza 5 cm / Gira a sinistra 0.4 s

Tabella di log (stampare)

t(s) | L | R | Regola attivata | Azione | Stato | Note

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Conclusione

Questo progetto è potentissimo perché rende visibile la logica dei robot: non è magia, è progettazione. Con semplici carte gli studenti sperimentano come una macchina “decide” e imparano a pensare in termini di regole, priorità e gestione dei casi limite — competenze utili in informatica, ingegneria e vita quotidiana. Fallimenti e aggiustamenti sono il cuore dell’apprendimento: ogni iterazione fa migliorare il progetto.

La lezione si chiude con un quiz formativo per verificare la comprensione e con un compito a casa: ogni studente sceglie un’applicazione reale, disegna il relativo schema P–D–A e un mini diagramma a stati.

Test di autovalutazione

1. Un distributore automatico è sempre un robot?

2. Qual è la sequenza corretta del ciclo robotico?

3. Quali sono i tre blocchi chiave di un robot?

4. È vero che un braccio industriale non è un robot se non ha sensori?

5. Fai un esempio di sensore in un robot aspirapolvere.

6. Un CNC può essere definito robot mobile?

7. Indica quale tra motore DC, LED, servomotore e riscaldatore non è un attuatore di moto.

8. In una frase: differenza fondamentale tra macchina automatica e robot.

Ecco una proposta di soluzioni chiare e sintetiche per il test che hai riportato:

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1. Un distributore automatico è sempre un robot?
No. È una macchina automatica programmata per svolgere un compito ripetitivo, ma non possiede capacità di percezione e adattamento tipiche di un robot.

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2. Qual è la sequenza corretta del ciclo robotico?
Percezione (sensori) → Elaborazione/Decisione (unità di controllo) → Azione (attuatori).

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3. Quali sono i tre blocchi chiave di un robot?

• Sensori (percezione)

• Unità di controllo (elaborazione, logica, “cervello”)

• Attuatori (moto, forza, output fisici).

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4. È vero che un braccio industriale non è un robot se non ha sensori?
No. Anche senza sensori è considerato un robot, ma risulta “a ciclo chiuso incompleto”: può muoversi solo secondo traiettorie pre-programmate, senza capacità di adattamento all’ambiente.

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5. Fai un esempio di sensore in un robot aspirapolvere.
Sensore di prossimità (infrarossi o ultrasuoni) per rilevare ostacoli.
Altri esempi possibili: sensore di vuoto (per evitare cadute dalle scale), sensore di polvere, giroscopio.

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6. Un CNC può essere definito robot mobile?
No. Un CNC è una macchina automatica stazionaria, programmabile, ma non si muove nello spazio come un robot mobile.

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7. Indica quale tra motore DC, LED, servomotore e riscaldatore non è un attuatore di moto.
Il LED (produce luce, non movimento) e il riscaldatore (produce calore). Gli attuatori di moto sono il motore DC e il servomotore.

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8. In una frase: differenza fondamentale tra macchina automatica e robot.
Una macchina automatica ripete cicli predefiniti senza adattarsi, mentre un robot integra sensori, controllo ed attuatori per interagire e adattarsi all’ambiente.

Conclusione

Questa lezione non vuole soltanto trasmettere nozioni, ma stimolare uno sguardo critico. Un robot non è mai solo una macchina: è l’esito dell’integrazione di percezione, decisione e azione, immersa in contesti sociali ed economici. Comprendere come funziona significa anche immaginare come potrebbe trasformare il nostro futuro.