Domande Meccanica dei Robot M

Domande d'esame

Anno accademico 2022-2023

1) Composizione dei robot – Sistema meccanico: Fornire una classificazione dei robot (per architettura meccanica e per topologia); Classificazione dei manipolatori seriali (per ciascuna architettura fornire schema cinematico e dello spazio di lavoro, principali caratteristiche e applicazioni).

2) Composizione dei robot – Sistema di attuazione: Funzione ed elementi principali; Trasmissione meccanica: funzione, considerazioni progettuali, principali tipologie; Tipologie, principali caratteristiche, vantaggi/svantaggi e modalità di utilizzo delle trasmissioni per la conversione da moto rotativo a moto lineare. Riduttore cicloidale: composizione, schema di funzionamento, rapporto di trasmissione, principali caratteristiche e modalità di utilizzo; vantaggi/svantaggi rispetto ai rotismi epicicloidali e agli Harmonic Drives.

3) Composizione dei robot – Sistema di attuazione: Funzione ed elementi principali; Trasmissione meccanica: funzione, considerazioni progettuali, principali tipologie; Principali caratteristiche e modalità di utilizzo delle trasmissioni con elementi flessibili e dei meccanismi con ruote dentate. Harmonic Drive: composizione, schema di funzionamento, rapporto di trasmissione, principali caratteristiche e modalità di utilizzo; vantaggi/svantaggi rispetto ai rotismi epicicloidali e ai riduttori cicloidali.

4) Composizione dei robot – Sistema di attuazione: Funzione ed elementi principali; Servomotori: requisiti tipici; Attuatori elettrici, pneumatici ed idraulici: principali tipologie, vantaggi/svantaggi e applicazioni.

5) Composizione dei robot – Sistema di sensorizzazione: classificazione, principi di conversione, tipologie di segnali utilizzati; Sensori di posizione: tipologie, schemi e principi di funzionamento, vantaggi/svantaggi.

6) Composizione dei robot – Sistema di sensorizzazione: classificazione, principi di conversione, tipologie di segnali utilizzati; Sensori di velocità, di misura inerziale e di forza/coppia: tipologie, schemi e principi di funzionamento, vantaggi/svantaggi.

7) Composizione dei robot – Sistema di controllo: funzioni, architettura funzionale (schema e descrizione dei vari livelli e dei moduli), architettura di controllo dei robot industriali.

8) Prestazioni dei robot: principali parametri, loro definizioni, valori tipici.

9) Cinematica del meccanismo 5R (pentalato articolato): generalità (schema, DOF), equazioni di chiusura, analisi di posizione (cinematica diretta e cinematica inversa), spazio di lavoro.

10) Cinematica del meccanismo 5R (pentalato articolato): generalità (schema, DOF), equazioni di chiusura, analisi di velocità, singolarità.

11) Cinematica del robot Delta: generalità (schemi, DOF), equazioni di chiusura, analisi di posizione (cinematica diretta e cinematica inversa).

12) Descrizione dell’orientamento: generalità e parametrizzazioni. Angoli di Eulero ZYZ: definizioni, illustrare la procedura per ottenere la matrice di rotazione in funzione dei parametri dell’orientamento, fornire l’espressione di tale matrice, risoluzione del problema inverso.

13) Descrizione dell’orientamento: generalità e parametrizzazioni. Angoli di Eulero ZYX: definizioni, illustrare la procedura per ottenere la matrice di rotazione in funzione dei parametri dell’orientamento, fornire l’espressione di tale matrice, risoluzione del problema inverso.

14) Parametrizzazione Asse e Angolo per la descrizione dell’orientamento: definizioni, illustrare la procedura per ottenere la matrice di rotazione in funzione dei parametri dell’orientamento, fornire l’espressione di tale matrice, risoluzione del problema inverso.

15) Quaternioni per la descrizione dell’orientamento: definizioni, illustrare la procedura per ottenere la matrice di rotazione in funzione dei parametri dell’orientamento, fornire l’espressione di tale matrice, risoluzione del problema inverso.

16) Cinematica diretta dei manipolatori seriali: definizione, procedura generale, convenzione Denavit-Hartenberg e suo utilizzo per la cinematica diretta.

17) Spazio dei giunti e spazio operativo: definizione, formulazione alternativa delle equazioni cinematiche, relazioni tra dimensione dello spazio dei giunti e dello spazio operativo, esempio di applicazione al manipolatore 3R planare. Spazio di lavoro dei manipolatori seriali: definizione, esempio di applicazione a un manipolatore planare 2R.

18) Calibrazione cinematica dei manipolatori seriali: utilizzo, formulazione e risoluzione del problema.

19) Cinematica inversa dei manipolatori seriali: definizione, problematiche, approcci per l’ottenimento delle equazioni di chiusura, soluzione per i manipolatori 6 DOF nel caso di architetture speciali, esempio di applicazione al manipolatore 3R planare mediante due approcci differenti.

20) Giacobiano Geometrico: definizione; calcolo della velocità dei membri sulla base della notazione di Denavit-Hartenberg; procedura per la determinazione dello Giacobiano geometrico; esempio di applicazione al manipolatore 3R planare mediante due approcci differenti.

21) Singolarità dei manipolatori seriali: definizione; tipologie; esempio di applicazione al manipolatore 3R planare mediante due approcci differenti; disaccoppiamento.

22) Spherical Arm: direct kinematics, inverse kinematics (discutere la molteplicità delle soluzioni).

23) Anthropomorphic Arm: direct kinematics, inverse kinematics (discutere la molteplicità delle soluzioni).

24) Spherical Wrist: direct kinematics, inverse kinematics (discutere la molteplicità delle soluzioni), singolarità.

25) Anthropomorphic Arm: Giacobiano geometrico, singolarità.

26) Giacobiano analitico: definizione, calcolo, relazione tra Giacobiano analitico e geometrico, esempio nel caso in cui l’orientamento sia rappresentato mediante la terna di angoli di Eulero ZYZ.

27) Manipolatori ridondanti: definizione, mappatura tra spazio dei giunti e spazio operativo, determinazione delle velocità dei giunti ottimali per prescritte velocità nello spazio operativo, esempi di funzioni obiettivo secondarie.

28) Manipolatori seriali: inversione dell’equazione di velocità in prossimità delle singolarità; statica (definizione e determinazione delle equazioni); dualità cinematica-statica.

29) Ellissoidi di manipolabilità dei manipolatori seriali (velocità e forza): definizione, equazioni e rappresentazione grafica, interpretazione, misura di manipolabilità, numero di condizionamento, esempio di applicazione a un manipolatore planare 2R.

30) Dinamica dei robot: metodologie per la determinazione del modello e loro vantaggi/svantaggi, determinazione delle equazioni del moto nello spazio dei giunti mediante l’uso delle equazioni di Lagrange.

31) Dinamica dei robot: partendo dalle equazioni dell’energia cinetica e potenziale dei componenti del manipolatore dimostrare la linearità del modello dinamico nei parametri inerziali.

32) Dinamica dei robot: partendo dall’equazione che descrive la linearità del modello dinamico del manipolatore nei parametri inerziali, illustrare la procedura per la stima dei parametri inerziali.

33) Dinamica dei robot: partendo dall’equazione della dinamica, descrivere il significato dei vari termini e descrivere il problema dinamico diretto ed inverso; determinare le equazioni della dinamica del manipolatore planare 2R.

34) Pianificazione della traiettoria: generalità; classificazione; caratteristiche delle traiettorie polinomiali; polinomiale cubica attraverso 2 punti (incluso il calcolo dei coefficienti); vantaggio della polinomiale di grado 5 rispetto a quella cubica.

35) Pianificazione della traiettoria: generalità; classificazione; caratteristiche delle traiettorie polinomiali; polinomiale attraverso n punti, incluso il calcolo dei coefficienti sia attraverso la matrice di Vandermonde che con la formula di Lagrange (menzionare i problemi della soluzione attraverso la matrice di Vandermonde).

36) Pianificazione della traiettoria: generalità; classificazione; traiettorie trigonometriche e loro caratteristiche; traiettorie in serie di Fourier e loro caratteristiche.

37) Pianificazione della traiettoria: traiettoria trapezoidale, sue caratteristiche e calcolo dei coefficienti.

38) Pianificazione della traiettoria: traiettoria spline, sue caratteristiche e calcolo dei coefficienti.

39) Pianificazione della traiettoria: operazioni sulle traiettorie (traslazione, riflessione, scalatura); parametrizzazione delle traiettorie in forma normalizzata.

Domande esame meccanica dei robot 2022-2023

1) Composizione dei robot – Sistema meccanico: Fornire una classificazione dei robot (per architettura meccanica e per topologia); Classificazione dei manipolatori seriali (per ciascuna architettura fornire schema cinematico e dello spazio di lavoro, principali caratteristiche e applicazioni.

Un sistema robotico, o semplicemente robot, è composto da diversi sistemi, che sono: sistema meccanico, sistema di attuazione, sistema di sensorizzazione e sistema di controllo.

Definiamo sistema meccanico un insieme di corpi (links) connessi tra loro mediante coppie cinematiche (joints) tali da ottenere il numero richiesto di gradi di libertà (DOF), in modo da poter svolgere le attività richieste, quali manipolazione, posizionamento e movimentazione.

La classificazione dei robot può avvenire per architettura meccanica oppure per topologia.

Classificazione per architettura meccanica

• Robot manipulators (manipolatori robotici): questa categoria di robot è caratterizzata dall’avere una base fissa (almeno un membro sarà fissato al suolo o comunque ad un basamento) e l’obiettivo di questo sistema è la movimentazione e afferraggio di oggetti. In questa tipologia di robot l’organo terminale è necessario, in quanto gestisce la movimentazione degli oggetti; solitamente vengono usati gripper (o altri working tools).
• Mobile robots (robot mobili): questa categoria di robot è caratterizzata dall’avere una base mobile, senza alcuna parte fissa con il suolo. L’impiego di questi robot è circoscritto alla locomozione, alla movimentazione, ed infatti sono sistemi robotici equipaggiati con ruote, cingolati, gambe, alette, ecc.
• Mobile manipulators (manipolatori mobili): sistemi robotici ibridi (composti sia da robot mobili che da manipolatori) con i manipolatori installati sul robot mobile.

Classificazione per topologia

• Manipolatori seriali (serial manipulators): questa tipologia di manipolatori è caratterizzata da una catena cinematica aperta (open kinematic chain), ovvero la catena ha due estremità, la base e l’end effector (EE), collegati tra loro mediante una serie di membri e coppie cinematiche. Questa architettura richiede che tutte le coppie cinematiche siano attuate per poter controllare adeguatamente l’EE. È buona norma attivare i giunti a telaio in maniera tale da far sì che il peso degli attuatori (parti più pesanti del sistema) non gravi su tutta la struttura. In questo modo le accelerazioni prodotte durante il movimento scaturiranno minori forze di inerzia. Infine, possiamo dire che gli errori di velocità e posizione si sommano, mentre quelli sulla forza si mediano.
• Manipolatori in parallelo (parallel manipulators): questa tipologia di manipolatori è caratterizzata da una catena cinematica chiusa (closed kinematic chain), ovvero la catena formata dalle coppie cinematiche e dai membri forma un anello, un percorso chiuso appunto. Sono presenti almeno due catene cinematiche aperte (chiamate gambe) che collegano base ed end effector. Per questa ragione la nuvola di punti di lavoro dell’end effector sarà minore rispetto a quella del manipolatore seriale (essendo l’organo terminale vincolato da entrambe le catene cinematiche). In questa circostanza possiamo usare sia coppie cinematiche attuate che passive. La struttura in parallelo è meno soggetta a vibrazioni e si presta meglio a sopportare carichi elevati; tuttavia, la sua modellazione risulta essere più complicata (maggior numero di membri). Infine, possiamo dire che gli errori di velocità e posizione si mediano, mentre quelli sulla forza si sommano.

Manipolatori seriali

I manipolatori seriali possono essere suddivisi e classificati in base alla loro forma, in funzione dello spazio di lavoro dell’organo terminale e delle coppie cinematiche presenti: questa distinzione caratterizza la forma del volume descritta dalla movimentazione dell’organo terminale. I manipolatori seriali a tre gradi di libertà sono utilizzati per posizionare un punto dell’EE nello spazio. Le architetture dei manipolatori seriali sono: cartesiana, cilindrica, sferica, SCARA, antropomorfa.

• Architettura cartesiana: La geometria cartesiana utilizza tre coppie prismatiche attuate, i quali assi sono solitamente ortogonali tra loro. La movimentazione di ciascuna coppia prismatica porta ad una traslazione specifica nello spazio da parte dell’end effector. Lo spazio di lavoro del robot cartesiano è un parallelepipedo rettangolare ed è facilmente controllabile, la sua dinamica e cinematica sono piuttosto semplici. Questa struttura offre elevata rigidità meccanica e un’ottima precisione nel posizionamento dell’organo terminale (precisione del posizionamento invariata in tutto lo spazio di lavoro) grazie alla possibilità di accedere a vani e cavità per via della struttura con coppie prismatiche. I motori con cui vengono attuate le coppie prismatiche sono spesso elettrici, ma talvolta si utilizza un’attuazione pneumatica. È un’architettura molto usata, la seconda nel mondo, con un volume di vendita globale attestato al 22%. Questa architettura viene utilizzata per handling e assemblaggio, movimentazione pallet, saldatura, incollaggio, verniciatura e stampaggio di materiale plastico.
• Architettura cilindrica: L’architettura cilindrica si ottiene da quella cartesiana sostituendo la coppia prismatica di base con una coppia rotoidale con asse parallelo a quello della coppia prismatica intermedia. Lo spazio di lavoro di questo robot è una porzione di cilindro cavo. Quest’architettura ha una buona rigidezza ed è ideale per accedere a cavità posizionate lungo l’asse orizzontale in direzione radiale; più ci allontaniamo con il posizionamento dell’EE dall’asse verticale più si perde in termini di precisione e accuratezza del posizionamento (l’accuratezza non è più costante in ogni direzione). Inoltre, si hanno problematiche di ingombro legate al fatto che le coppie prismatiche richiedono molto spazio nella parte posteriore (non è possibile compattare il braccio). L’attuazione è tipicamente elettrica, talvolta idraulica (solo per carichi elevati) e vengono impiegati moltissimo nel mercato asiatico (il settore dell’elettronica è predominante). I robot cilindrici vengono usati nel settore dell’elettronica, in applicazioni di pick and place e machine tending (asservimento macchine).
• Architettura sferica: L’architettura sferica si ottiene dalla cilindrica sostituendo la coppia prismatica intermedia con una coppia rotoidale ad asse ortogonale rispetto a quello delle altre coppie cinematiche. Questo robot permette uno spazio di lavoro sferico cavo e ha una rigidezza minore rispetto ai robot cartesiani e cilindrici (adatta a carichi inferiori). Anche per questa configurazione la precisione cala con l’aumento in direzione radiale. Forniscono un buon accesso alle cavità con assi passanti per il punto di intersezione degli assi di giunzione e permettono di manipolare oggetti che giacciono sul piano di base. L’attuazione è tipicamente elettrica. In linea di massima sono architetture poco usate e vengono impiegate principalmente nel settore delle lavorazioni meccaniche.
• Architettura SCARA: L’architettura SCARA viene realizzata disponendo due coppie rotoidali e una coppia prismatica in modo che tutti gli assi siano tra loro paralleli. Lo spazio di lavoro descritto è un cilindro formato da archi di cerchio, i cui raggi dipendono dalla lunghezza dei membri. Geometria molto rigida in direzione z, più cedevole in x e y per via delle coppie rotoidali. I motori delle due coppie rotoidali non devono gravarsi del contributo di coppia dato dal peso dei membri e dei motori che seguono, facendo sì che la capacità di carico del robot così come l’utilizzo dei motori sia ottimo: il robot sarà quindi molto compatto. La precisione di questo robot sarà influenzata dalla distanza dell’EE dall’asse della prima coppia rotoidale (calando con la distanza) ma grazie alla coppia prismatica non subisce variazioni lungo la direzione z. Questi manipolatori sono i più rigidi, precisi e veloci sul mercato. Vengono utilizzati con attuazione mediante motori elettrici e si impiegano nella manipolazione di oggetti piccoli, nel settore dell’elettronica e nel settore degli imballaggi. Circa il 12% dei robot industriali sono SCARA.
• Architettura antropomorfa: L’architettura antropomorfa si ottiene dalla sferica sostituendo la coppia prismatica con una coppia rotoidale con asse parallelo alla precedente coppia rotoidale. Il suo nome deriva dalla somiglianza con il braccio umano. Questa architettura permette di avere spazi di lavoro più grandi paragonato alle dimensioni e all’ingombro del robot stesso, poiché rimuoviamo la coppia prismatica: lo spazio di lavoro è una porzione di sfera. È un robot dotato di elevata destrezza (capacità di generare velocità simili in tutte le direzioni) ma ha un controllo complesso e una cinematica e dinamica complicata. La precisione nel posizionamento varia all’interno dello spazio di lavoro, essendo tutte coppie rotoidali (più mi allontano dall’asse della prima e più cala l’accuratezza). La seconda e la terza coppia supportano il carico dato dal peso di membri e motori che seguono.