Robot da tiro per selezionare le frecce: Ohara 2020

Sette pagine di atti di convegno su una macchina da tiro costruita all'università di Osaka, seconda versione, con un obiettivo dichiarato: scartare le frecce difettose prima di una gara. Niente arcieri, niente punteggi: il soggetto è la macchina.

Il problema da risolvere era la macchina stessa. La prima versione pesava 24 chili, si tirava la corda girando una manovella e tutto l'insieme vibrava; il braccio sinistro era un tubo d'alluminio da un millimetro e mezzo di parete che oscillava; e l'arco non era vincolato alla mano, quindi a ogni tiro si staccava e la volta dopo la presa cadeva in un punto diverso. La seconda versione pesa 114,4 chili, cioè quasi cinque volte tanto, tira la corda con un motore in corrente continua a tre modalità, usa un tubo di ferro da due millimetri di parete, e stringe l'arco in un morsetto di poliacetale che però lo lascia saltare in avanti al momento del tiro, come succede nella mano dell'arciere.

La parte più elegante è il rilascio. La mano destra ha dita articolate, con fili e molle, bloccate quando sono chiuse e aperte da un solenoide, in modo da produrre il paradosso dell'arciere invece di sganciare come un meccanico. E lo sgancio è comandato dal clicker: un microfono sente il colpo, un filtro riconosce un suono intorno ai 1400 hertz lungo 0,15 secondi, e un Raspberry Pi libera le dita. Così l'allungo è sempre lo stesso, ed è il modo in cui l'arciere lavora davvero.

La prova sta tutta in un pomeriggio, il 2 ottobre 2019 verso le quattro, giornata non molto ventosa. Arco Yamaha α-EX, rilascio a 382 millimetri di allungo, dove servono 18 chili. Settanta metri. Sei frecce tirate, di cui due difettose: una andava sempre a destra, l'altra, a cui mancava una penna, andava sempre in basso. Con il clicker usato come segnale e senza.

Il risultato dichiarato è duplice. La macchina sarebbe abbastanza precisa da selezionare frecce a settanta metri in assenza di vento, e le due frecce difettose cadono fuori dal cerchio di raggio doppio della deviazione standard mentre le quattro buone stanno dentro. Il secondo risultato, però, è costruito in modo da non potere venire diverso, perché quella deviazione standard è calcolata sulle stesse quattro frecce buone.

La base è fatta pesante di proposito, oltre cento chili, perché non si muova al tiro, con ruote sotto per spostarla e quattro bulloni M24 per fissarla, più un meccanismo di regolazione degli angoli in orizzontale e in verticale per mirare.

La trazione: un motore in corrente continua Maxon pilotato da un ponte a quattro transistor, con tre modalità distinte dai finecorsa e gestite dal Raspberry Pi. Modalità uno, trazione rapida, rapporto di modulazione al trenta per cento; modalità due, rallentamento vicino al clicker, dodici per cento; modalità tre, la punta della freccia arriva al clicker, dieci per cento. I punti di passaggio fra le modalità sono spostabili.

Il braccio sinistro: nella prima macchina un tubo quadro d'alluminio con parete da 1,5 millimetri e sezione 15 per 25, che vibrava; nella seconda un tubo di ferro con parete da 2 millimetri e sezione 20 per 40. La presa è un morsetto di poliacetale che stringe l'arco e lo protegge, e che salta in avanti dal braccio quando il tiro parte.

Il rilascio: la mano destra riproduce la struttura delle dita per ottenere il paradosso dell'arciere, con la flessione e l'estensione imitate tirando fili e molle. Le dita si bloccano chiuse e si distendono quando un solenoide, comandato da un transistor di potenza, riceve corrente. Il segnale parte quando il computer riconosce il suono del clicker: microfono, preamplificatore, filtro passa-basso a condensatore e resistenza, filtro passa-basso del primo ordine, filtro passa-alto del sesto ordine, amplificatore di potenza, convertitore analogico digitale, Raspberry Pi 3B.

La prova sul campo: la macchina portata al poligono, settanta metri, sei frecce, due condizioni, con e senza il clicker come segnale di rilascio. Di ogni impatto si misurano la distanza orizzontale e quella verticale dal centro, e l'origine dei grafici è la posizione media degli impatti, perché mirare non era l'obiettivo: interessava la dispersione a parità di condizioni.

Come riferimento c'è un grafico della prima macchina da un lavoro precedente, dieci tiri della stessa freccia a diciotto metri con un arco da nove chili, perché a settanta metri quell'arco non arrivava.

Per decidere quali frecce fossero anomale si disegnano due cerchi, uno di raggio pari alla deviazione standard delle frecce buone e uno di raggio doppio, e si guarda chi resta fuori. Gli autori citano anche il test di Smirnov e Grubbs e quello di Thompson come alternative, ma non li usano.

Il risultato centrale non può venire diverso da come viene, e la ragione è scritta nell'articolo. Le frecce anomale sono individuate usando la deviazione standard delle frecce normali, e le frecce normali di quel gruppo sono quattro. Un cerchio di raggio doppio della deviazione standard di quattro punti, centrato sulla loro media, li contiene praticamente sempre: non è un risultato sui quattro, è una proprietà dell'operazione. La domanda da porsi sarebbe se le due frecce difettose cadano fuori da un intervallo stimato su un insieme indipendente di frecce buone, e quell'insieme non esiste.

Si aggiunge che le due frecce difettose erano note prima. L'articolo dice che una andava sempre a destra e l'altra sempre in basso, e che a quest'ultima mancava una penna. Quindi il difetto era già stato identificato dal comportamento che la macchina poi dovrebbe rivelare, e in un caso era visibile a occhio nudo. Dimostrare che una macchina da centoquattordici chili trova una freccia a cui manca una penna non misura la sua capacità di trovare i difetti che l'occhio non vede, che è il problema per cui è stata costruita.

Nessun numero. La deviazione standard è nominata come raggio del cerchio e il suo valore non è dato da nessuna parte, né in millimetri né in altro modo; non ci sono diametri di gruppo, non c'è un confronto numerico fra la condizione con il clicker e quella senza, e le due conclusioni su quel confronto sono «la precisione è estremamente alta» e «in modo più chiaro». Per un lavoro il cui scopo è stabilire se la macchina sia abbastanza precisa, la precisione non è quantificata nel testo.

Non si capisce nemmeno quanti tiri stiano dietro alla misura di precisione. I conteggi espliciti nel testo sono due, dieci tiri con la prima macchina a diciotto metri e sei frecce nella prova di selezione a settanta metri, mentre la frase sulla precisione parla di dieci frecce dentro i 122 millimetri della zona del dieci: quei dieci tiri a settanta metri non sono descritti da nessuna parte nel testo.

Il confronto che conta non è fatto. Per selezionare frecce serve che la variabilità della macchina sia più piccola delle differenze fra le frecce. Qui si misurano entrambe, cioè la dispersione di una freccia ripetuta e la dispersione di quattro frecce diverse, e nessuna delle due è riportata come numero, quindi il lettore non può sapere se la macchina risolva le differenze che deve giudicare.

Una sessione, un pomeriggio, un arco, un allungo. Nessuna replica in un altro giorno, nessun rimontaggio dell'arco, e il vento descritto come «non molto ventoso» invece di misurato: per una macchina che deve distinguere frecce su pochi millimetri a settanta metri, il vento è il disturbo principale e non è stato misurato. L'allungo di 382 millimetri, poi, è dato senza dire da dove sia contato, e preso alla lettera sarebbe molto più corto dell'allungo di qualunque arciere.

Resta una questione di trasferimento che l'articolo non affronta. Il morsetto stringe l'arco, e la seconda macchina esiste proprio perché la prima lo lasciava libero e la presa non si ripeteva. La mano dell'arciere, però, non stringe: l'arco appoggia e la mano resta morbida. Il salto in avanti del morsetto è un'idea buona in questa direzione, ma una presa rigida si comporta diversamente da una mano rispetto alla torsione dell'arco, che è la cosa che più sposta la freccia in orizzontale. Frecce ordinate da una macchina a presa rigida potrebbero non ordinarsi allo stesso modo in mano a una persona.

Infine, l'introduzione lega la macchina a un beneficio psicologico, cioè che l'arciere sicuro di avere escluso le frecce difettose sarebbe meno ansioso. È una motivazione, non un dato: nell'articolo nessuno misura ansia, e nessun arciere compare.

Per un arciere questo articolo non è un risultato, è un progetto di macchina, e vale per tre idee che si possono prendere comunque.

La prima è il rilascio comandato dal clicker. La macchina sente il colpo con un microfono, riconosce un suono intorno ai 1400 hertz lungo un decimo e mezzo di secondo e solo allora apre le dita. Il motivo è scritto: se l'allungo cambia, le frecce si spargono in verticale. Con il clicker come segnale la dispersione verticale è più piccola che senza, e questo, pur essendo mostrato solo su grafico, è la conferma meccanica di una cosa che l'arciere fa per abitudine, cioè partire al clicker e non prima.

La seconda è la lezione sulla presa, e viene dai difetti della prima macchina. Quando l'arco non era vincolato si staccava a ogni tiro e la volta dopo la presa cadeva in un punto diverso, con precisione ridotta. Non è una misura sulla mano umana, ma dice che cosa costa una presa che non si ripete, e nei termini più crudi possibili, perché qui l'unica variabile era quella.

La terza è la massa. Centoquattordici chili contro ventiquattro, braccio di ferro invece che di alluminio: quasi tutto il lavoro di questo gruppo è servito a togliere vibrazione alla struttura, non a migliorare il tiro. Chi monta un cavalletto o un supporto per provare attrezzatura ha qui l'indicazione, cioè che il banco pesa più del metodo.

Quello che non si può portare a casa è la selezione delle frecce. La macchina è dichiarata capace di scartare le anomale, ma la prova è su sei frecce, due delle quali già note come difettose, e il criterio di esclusione è un cerchio costruito sulla deviazione standard delle quattro buone, cioè sulle stesse frecce che poi risultano dentro. Senza la deviazione standard in millimetri e senza un confronto fra il rumore della macchina e le differenze fra frecce, non c'è modo di sapere quanto piccolo sia il difetto che questa macchina trova.

Chi volesse provare a selezionare frecce con una macchina, propria o di un club, ha comunque dall'articolo lo schema di come farlo in modo controllabile: misurare la dispersione della stessa freccia ripetuta molte volte, che è il rumore del banco, poi la dispersione fra frecce diverse, e confrontare i due numeri. Finché il primo non è chiaramente più piccolo del secondo, la macchina non sta selezionando niente.