Appunti di dispositivi e sistemi robotici

Introduzione

Le tre leggi della robotica di Isaac Asimov

• Prima Legge: Un robot non può recar danno a un essere umano né può permettere che a causa del proprio mancato intervento un essere umano riceva danno.
• Seconda legge: Un robot deve obbedire agli ordini impartiti dagli esseri umani purché tali ordini non contravvengano alla prima legge.
• Terza legge: Un robot deve proteggere la propria esistenza purché questo non contrasti con la prima e la seconda legge.

Legge Zero: Un robot non può recare danno all'umanità, né può permettere che, a causa del proprio mancato intervento, l'umanità riceva danno.

La robotica studia le macchine che possano sostituire e/o interagire* con l’uomo nell’esecuzione di un compito, sia in termini di attività fisica che decisionale. Studia la connessione intelligente tra percezione e azione.

* Tradizionalmente i robot operano separati dall’uomo perché sono macchine pericolose; infatti, molto spesso ci sono delle barriere a separarli. Con le nuove tecnologie però l’uomo può condividere azioni con i robot, sempre facendo attenzione a non recare danno robotica → collaborativa.

La robotica avanzata e di servizio riguarda: applicazioni domestiche, assistenza medica e riabilitativa, robotica per protesi ed esoscheletri, intrattenimento, agricoltura, sistemi educativi; applicazioni in ambiente ostile (spaziale, sottomarino, nucleare, militare); spiccate caratteristiche di autonomia; tecnologia ancora in sviluppo.

La robotica industriale invece riguarda: progettazione, governo e applicazioni dei robot in ambito industriale e tecnologia matura e affidabile.

Robot industriale

Il robot è una struttura meccanica (pezzi attaccati tra loro che costituiscono un meccanismo) multifunzionale e riprogrammabile, progettato per spostare materiali, parti, utensili o dispositivi specialistici secondo movimenti variabili programmati per l’esecuzione di una varietà di compiti diversi.

A distinguere il robot da una macchina automatica è la sua multifunzionalità perché la macchina automatica nasce per svolgere un compito preciso mentre per il robot a priori non sappiamo per cosa viene costruito. La funzione del robot dipende da quello che esso sposta ovvero dal tool (utensile).

La catena che va a definire il robot è composta da:

• Costruttore del robot: struttura meccanica che muove un tool.
• Integratore: prende la macchina e gli attacca il tool e definisce come deve muoversi l’insieme del robot + tool.
• Cliente: fornisce le specifiche all’integratore e riceve l’insieme.

Le caratteristiche del robot sono:

• Connessione intelligente tra percezione e azione.
• Autonomia con capacità di prendere decisioni.
• Versatilità e adattabilità a situazioni diverse.
• Flessibilità e riprogrammabilità.
• Possibilità di lavorare in modo simile all’uomo.

Sistema robotico

Le componenti sono:

• Struttura meccanica (manipolatore) che consiste in un insieme di corpi rigidi (bracci) interconnessi tra di loro per mezzo di articolazioni (giunti); nel manipolatore si individua una struttura portante, che ne assicura la mobilità, un polso, che conferisce destrezza (orientazione) e un organo terminale che esegue il compito per cui il robot è utilizzato.
• Attuatori (motori che forniscono potenza meccanica) che imprimono il movimento al manipolatore attraverso l’azionamento dei giunti; si impiegano usualmente motori elettrici, idraulici e talvolta pneumatici.
• Sensori che misurano lo stato del manipolatore (sensori propriocettivi) ed eventualmente lo stato dell’ambiente (sensori eterocettivi).
• Unità di governo (calcolatore) con funzioni di controllo e supervisione dei movimenti del manipolatore.

Capacità fondamentali dei robot per i processi manifatturieri:

• Trasporto: pallettizzazione, carico e scarico magazzini, carico e scarico macchine operatrici e macchine utensili, selezione e smistamento di parti, confezionamento di merci.
• Manipolazione/lavorazione/assemblaggio: saldatura ad arco e a punti, verniciatura a spruzzo, fresatura e trapanatura, incollaggio, taglio laser e a getto d’acqua, finitura, assemblaggio di gruppi meccanici ed elettrici, montaggio di schede elettroniche, avvitatura, cablaggio.
• Misura: collaudo dimensionale, rilevamento di profili, individuazione di difetti di fabbricazione.

Caratteristiche di impiego:

• Riduzione dei costi di produzione.
• Aumento della produttività.
• Incremento della qualità del prodotto.
• Eliminazione dei compiti rischiosi e alienati per l’operatore mano.

Robot: sistema meccanico

La catena meccanica è costituita da una serie di corpi (links), spesso considerati rigidi, connessi da giunti o articolazioni (joints).

Un’estremità della catena (primo link) è costituita dalla base, di norma fissata a terra. All’ultimo link (flangia terminale) si collega l’end effector (pinza, strumento di lavoro) o organo terminale.

Ogni giunto introduce gradi di mobilità (giunti prismatici o rotoidali) che nel loro insieme conferiscono gradi di libertà all’organo terminale del robot nello spazio di lavoro, porzione dell’ambiente a cui può accedere l’organo terminale.

Nella catena meccanica si individua una struttura portante (braccio) che garantisce il posizionamento ed un polso che fornisce i gradi di libertà di orientamento dell’EE.

In quest’immagine il robot ha 7 gradi di libertà (3 del braccio, 1 del giunto e 3 del polso).

I giunti forniscono i gradi di mobilità (movimento relativo tra links).

L’end effector fornisce i gradi di libertà (movimento dei corpi nello spazio).

Se voglio muovere un oggetto nello spazio ho bisogno di 6 gdl e quindi almeno 6 motori che possono comandare in modo indipendente tra loro. Questo comunque dipende sempre dal task.

I concetti di posizione e orientazione vengono associati a due sottoinsiemi del robot che sono il braccio che ne dà la posizione e poi nella zona del tool c’è il sottoinsieme che ha la funzione di orientare.

Nella robotica concentrandosi sulla parte del braccio ci sono diverse strutture come il robot cartesiano, quello cilindrico, sferico, antropomorfo,…

Robot cartesiano rettangolare

Questo si ottiene combinando tra loro tre giunti prismatici che garantiscono la traslazione.

Se ci sono dei motori che controllano questi 3 gradi di mobilità e gli assi di traslazione sono indipendenti, posso controllare le 3 coordinate indipendenti che definiscono la posizione dell’end effector. L’insieme di tutte le posizioni che l’end effector può raggiungere è dato da tutti i valori che ogni singolo grado di mobilità può assumere combinando nello spazio il tutto, l’end → effector si muove in un volume riconducibile ad un parallelepipedo. L’insieme di tutte queste posizioni è lo spazio di lavoro del robot.

Le caratteristiche di questo robot sono quelle di avere un’ottima rigidezza meccanica, precise posizioni del polso costanti nello spazio di lavoro. Ha però uno spazio di lavoro ristretto e più piccolo del volume di ingombro del robot, i giunti prismatici sono meno efficienti di quelli rotoidali e devono essere protetti per prevenire l’ingresso della polvere.

Permette di fare operazioni di trasporto e assemblaggio.

Gli azionamenti sono elettrici.

Robot cartesiano a portale

Il primo asse è realizzato raddoppiando le guide lineari ed è usato per trasportare oggetti più pesanti e grandi.

Robot cilindrico

Attualmente non viene più utilizzato.

È formato da 1 giunto rotoidale e 2 prismatici (RPP) cioè viene sostituito il primo asse con uno rotoidale.

Questo robot ha buone caratteristiche di rigidezza meccanica e una buona accessibilità dentro cavità e macchine aperte.

Ha uno spazio di lavoro ristretto e la precisione di posizionamento del polso si riduce al crescere dello sbraccio orizzontale.

Robot sferico (polare)

2 giunti rotoidali e 1 prismatico (RRP).

Il punto di intersezione 1-2 rimane fisso nello spazio ed è il centro di rotazione sferico.

Ha discrete caratteristiche di rigidezza meccanica e un vasto volume di lavoro intorno al supporto centrale.

La precisione di posizionamento del polso si riduce al crescere dello sbraccio radiale.

È utilizzato per operazioni di carico e scarico dei pezzi.

Robot SCARA

Gli assi di rotazione sono paralleli e giunti sono RRP.

Questo ha un modello cinematico più complesso tra gradi di mobilità RR e gradi di libertà nelle direzioni orizzontali.

Ha un’elevata rigidezza a carichi verticali e cedevolezza a carichi orizzontali.

È adatto alla manipolazione di piccoli oggetti e a movimenti di pick and place ovvero a prendere un oggetto, spostarlo e appoggiarlo da un’altra parte.

Robot articolato o antropomorfo

Si combinano tra loro tre gradi di rotazione (RRR). I motori rotoidali sono più facili da realizzare quindi questa è la struttura più diffusa.

Giunto di base verticale + spalla (2R) + gomito (3R).

Il volume di lavoro è più grande rispetto al volume del robot. Ha una struttura con elevata destrezza e ha una facilità di sigillatura dei giunti rotoidali.

Grazie ai giunti rotoidali è una soluzione che rende più versatile il robot e quindi riesco a portare l’end effector con un numero altissimo di posizioni.

Aggiungendo il polso all’end effector si aggiungono altri 3 gradi di libertà (6R).

Robot paralleli

Viene collegata una piattaforma fissa attraverso più catene il carico si distribuisce su più → “gambe”. Quindi a parità di carico la singola gamba può essere meno pesante e quindi si può muovere più velocemente perché sopporta solo una parte del carico.

Questi tipi di robot vengono usati per simulazioni di movimento o di volo.

In particolare, ci sono i Delta Robot che sono dei robot paralleli industriali per pick and place molto veloci.

Coordinate, orientamento e posizione

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