Risposte domande d'esame di Meccanica dei robot

Risposte meccanica dei robot

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).

I robot sono un insieme di corpi collegati tra loro da coppie cinematiche, che possono essere attive (se dotate di motore) o passive, assemblati per raggiungere il numero di gradi di libertà richiesto, svolgendo operazioni di manipolazione, posizionamento e locomozione.

Suddividendo i robot per architettura meccanica, troviamo tre differenti famiglie.

• Robot manipolatori: sono robot che presentano sempre un basamento fisso e il loro scopo principale è quello di afferrare e movimentare oggetti. Possiamo distinguere altri due sottogruppi:
  • Robot industriali: sono manipolatori multifunzionali riprogrammabili, sono robot molto rigidi e veloci che non hanno adeguata sensoristica per poter convivere con l’uomo durante la lavorazione, per questo motivo sono sempre inseriti in apposite gabbie di lavoro. Possono esistere in dimensioni molto varie e il loro scopo principale è quello di sostituire il lavoro dell’uomo in ambienti pericolosi.
  • Robot collaborativi: sono robot più economici, molto più leggeri e lenti, dotati di una sensoristica molto più avanzata, sviluppati proprio per lavorare insieme all’uomo. Il loro scopo è quello di lavorare a stretto contatto con l’operatore con quattro differenti tipologie di uso:
    • Coesistenza
    • Collaborazione sequenziale
    • Cooperazione
    • Collaborazione reattiva
• Robot mobili: hanno un basamento mobile (ruote, cingoli, gambe, pinne, ecc.) e il loro scopo è la locomozione. Sono dispositivi in grado di compiere tragitti medio-lunghi e di muoversi in autonomia.
• Manipolatore mobile: stanno prendendo sempre più piede e sono una soluzione mista tra le due, ovvero un manipolatore che viene installato sopra un basamento mobile.

Volendo invece classificare i robot per topologia, troviamo due grandi famiglie:

• Manipolatori seriali: sono caratterizzati da una catena cinematica aperta, costituita da due parti: la base posta a terra e l’end effector, collegate tra loro da una sola serie di maglie articolate e giunti. Tutti i giunti dovranno essere attuati, i motori lavorano in serie, quindi l’errore di posizionamento è una somma di tutti gli errori. Hanno spazio di lavoro facilmente aumentabile e sono più facili da controllare perché è più facile la risoluzione della catena cinematica diretta.
• Manipolatori paralleli: sono caratterizzati da una catena cinematica chiusa, la sequenza di collegamenti articolati da giunti forma un anello. L’end effector è collegato a terra da due o più catene cinematiche. Non è necessario attuare tutti i giunti, così si lascia la possibilità ai motori di lavorare in parallelo e quindi l’errore di posizionamento è una media di tutti gli errori. Di norma hanno maggiore capacità di carico, sono più veloci e hanno maggiori accelerazioni dei precedenti perché hanno inerzie minori.

Sulla base di quali coppie cinematiche sono presenti e di come sono distribuite possiamo classificare i manipolatori seriali:

1. Cartesiano: costituito da 3 giunti prismatici posti su assi tutti ortogonali tra loro, formano uno spazio di lavoro parallelepipedo con lati pari alla corsa dei motori.

   Sono strutturalmente molto rigidi, quindi la parte più cedevole è il motore e la trasmissione.

   Hanno una precisione di posizionamento costante in tutto lo spazio di lavoro.

   Sono molto facili da controllare perché governati da equazioni cinematiche molto semplici con rapporto uno a uno tra la posizione del motore e la posizione dell’end effector.

   Trovano il maggiore impiego per:

   • Movimentazione e assemblaggio
   • Pallettizzazione
   • Stampaggio
   • Asservimento macchine
   • Saldatura e incollaggio

   I manipolatori cartesiani possono anche essere installati in una configurazione a portale che consente di aumentare lo spazio di lavoro e manipolare oggetti molto più grandi e pesanti. I robot cartesiani sono una soluzione abbastanza costosa perché utilizzano coppie prismatiche con motori elettrici o pneumatici. Nonostante questo sono tra i robot industriali più venduti, circa il 22%.

2. Cilindrico: partendo dalla costruzione cartesiana sostituiamo il primo giunto prismatico con una coppia rotoidale di asse parallelo al secondo giunto prismatico, così facendo si forma uno spazio di lavoro a cilindro cavo.

   Strutturalmente abbastanza rigidi.

   La precisione del posizionamento diminuisce all’aumentare del movimento in direzione radiale, ovvero della distanza dell’EE dalla coppia rotoidale, perché un errore nella coppia rotoidale provoca un arco di errore sempre maggiore al crescere di questa distanza.

   Sono facili da governare se si utilizzano le coordinate cilindriche. Hanno una limitazione, ovvero richiedono dello spazio libero nella parte posteriore del braccio.

   Trovano maggiore impiego per:

   • Asservimento macchine
   • Pick and place
   • Utilizzati principalmente nelle applicazioni elettroniche in camere bianche

   Sono robot poco venduti con una percentuale del 2% su tutti i robot industriali venduti.

3. Sferico: partendo dalla costruzione cilindrica sostituiamo il secondo giunto prismatico con uno rotoidale che ha asse ortogonale a quelli rimanenti, così facendo si forma uno spazio di lavoro sferico cavo.

   Strutturalmente più complessi e molto meno rigidi di quelli cartesiani e cilindrici.

   Precisione del posizionamento uguale a quella dei robot cilindrici.

   Sono facili da governare se si utilizzano coordinate sferiche. Anche questi richiedono spazio libero nella parte posteriore del braccio, ma hanno il vantaggio di poter movimentare anche oggetti posti a terra.

   Trovano maggiore impiego:

   • Lavorazione meccanica con oggetti posti a terra

4. Scara: costituito da due coppie rotoidali ed una prismatica, tutte disposte su assi paralleli tra loro, così facendo si crea una zona di lavoro che è una superficie piana di forma qualsiasi fatta inviluppare, una sorta di cilindro formato da archi di circonferenza definiti dall’estensione del membro che collega le due coppie rotoidali.

   Sono robot molto rigidi per carichi verticali mentre molto cedevoli per carichi orizzontali. Grazie alla disposizione dei giunti i motori non devono fornire alcun contributo di coppia per sostenere il peso delle braccia e questo permette di fornire la massima capacità di carico.

   Hanno un’accuratezza nel posizionamento solo lungo la direzione zeta; nelle altre direzioni la precisione diminuisce all’aumentare della distanza dell’asse dal primo giunto rotoidale.

   Non più così facili da gestire, infatti non riesco più ad avere una relazione uno ad uno per le coordinate x, y, ma esisteranno più soluzioni e bisogna definire quella ideale.

   I manipolatori Scara sono i più precisi, rigidi, ripetibili e veloci, quindi vengono tipicamente impiegati per:

   • Manipolazione di piccoli oggetti
   • Ampio utilizzo nel settore elettronico
   • Imballaggio
   • Asservimento macchine
   • Erogazione di adesivi

   Di tutti i robot industriali venduti i robot Scara ricoprono una percentuale di circa il 12%.

5. Antropomorfo: partendo dalla geometria sferica si sostituisce il giunto prismatico con una coppia rotoidale che ha un asse parallelo a quello della seconda coppia rotoidale, quindi una coppia rotoidale ad asse verticale e due coppie rotoidali ad assi orizzontali, questo permette di avere uno spazio di lavoro che è una porzione di sfera.

   Soffrono di scarsa rigidità, per questo alcune applicazioni trovano rimedio usando catene chiuse, ad esempio utilizzando l’adozione di un parallelogramma, così che:

   • Distribuiscono meglio i carichi
   • Posizionano i motori più vicino alla base

   Hanno capacità di carico limitata poiché il motore del secondo giunto deve supportare anche la forza peso delle braccia, ma la zona di lavoro è decisamente molto più ampia.

   Hanno un’accuratezza del posizionamento fortemente influenzata dalla zona di lavoro poiché errori sui giunti si sommano tra loro.

   Il loro controllo è particolarmente difficile perché regolati da complesse equazioni dinamiche e cinematiche.

   Visto l’ampio spazio di lavoro, sono tipicamente usati per:

   • Saldatura
   • Verniciatura
   • Asservimento macchine
   • Fusione dei metalli
   • Movimentazione generale

   Sono di gran lunga i robot più venduti in assoluto tra i robot industriali con una percentuale del 60%.

6. Polso sferico: sono costituiti da una catena cinematica composta da 3 coppie rotoidali con assi intersecati e ortogonali tra loro, così si fornisce la massima destrezza.

   Vengono montati all’estremità del manipolatore così da orientare una terna rispetto ad un’altra. Deve essere il più compatto possibile, infatti vengono attuati i 3 motori delle 3 coppie rotoidali ma a distanza.

   Con il polso sferico riusciamo a facilitare il controllo perché si possono separare la risoluzione dei problemi, infatti così è possibile prima risolvere il problema di posizionamento e poi quello di orientamento.

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.

Le modalità affrontate per convertire il moto da rotativo a lineare sono sostanzialmente di due tipologie: vite a ricircolo di sfere e vite a rulli.

1. Vite a ricircolo di sfere: sono composte da una vite in acciaio legato temprato e una chiocciola a ricircolo di sfere dove gli elementi volventi rotolano tra il filetto della vite e quello della chiocciola; poi, una volta terminata la corsa utile, gli elementi volventi nella chiocciola vengono deviati e reinseriti nel circuito garantendo un funzionamento continuo.

   È un sistema compatto e altamente efficiente sia nel moto diretto che retrogrado per passi d’elica non troppo piccoli. Al diminuire del passo d’elica cala la velocità e cala l’efficienza. Il motore deve essere realizzato su misura in quanto si utilizzano motori cavi.

   Si possono avere due differenti modalità di utilizzo:

   • A vite rotante (configurazione standard).

     È la soluzione più utilizzata perché è quella più facile da gestire nell’utilizzo, ma è anche quella che presenta maggiori problematiche:

     • Rigidezza variabile al variare della lunghezza della vite, per viti medio-corte si ha un’elevata rigidezza ma all’aumentare della lunghezza si ha un aumento delle sollecitazioni torsionali che deformano l’albero e quindi si perde di rigidezza.
     • Inerzia rotazionale elevata.
     • Limita la velocità di corsa alla velocità critica della vite.

     È la soluzione ideale per alberi corti con corse limitate e rotazioni limitate.

   • A chiocciola rotante.

     È una soluzione meno utilizzata perché meno facile da gestire, ma è una soluzione che viene utilizzata quando si vuole movimentare alberi particolarmente lunghi a velocità particolarmente elevate. In questa soluzione la coppia è indipendente dalla lunghezza dell’albero.

   In generale sono soluzioni adottate per corse inferiori ai 2 metri con massima capacità di carico pari a 100 kN e massima capacità di carico nominale pari a 50 kN.

2. Vite a rulli: sono composte da una vite centrale con filettatura esterna sulla quale si impegna una chiocciola con filettatura interna e due corone dentate terminali. All’interno della chiocciola troviamo dei rulli filettati che si innestano sia nella filettatura della chiocciola stessa che della vite centrale e che contemporaneamente ingranano tramite delle ruote dentate poste all’estremità dei rulli con le due corone dentate della chiocciola. I rulli vengono mantenuti con assi paralleli a quelli della chiocciola e della vite tramite dei portasatelliti che sono liberi di ruotare rispetto alla chiocciola. Infine troviamo un giunto ad ingranaggi che ha come scopo quello di sincronizzare la rotazione e il moto orbitale dei rulli. In questo modo convertiamo il moto rotatorio della vite in uno traslatorio della chiocciola o viceversa.

   A parità di dimensione, con questa soluzione rispetto alla soluzione precedente riusciamo ad aumentare il numero di contatti tra vite-madrevite, quindi a parità di forze esterne si avrà una pressione minore, una maggiore trasmissione della forza e una durata molto più lunga, oltre a rendere il sistema significativamente più rigido.

   Comparando le due soluzioni notiamo che la vite a rulli ha:

   • Maggiore compattezza.
   • Maggiore capacità di carico.
   • Maggiore precisione.
   • Minore manutenzione.
   • Maggiore durata.
   • Minore inerzia.
   • Minore rumorosità.
   • Efficienza leggermente minore.
   • Maggiore costo.

Ora passiamo allo studio del riduttore cicloidale, sono composti da un albero d’ingresso con terminale eccentrico che si accoppia con un disco cicloidale che ha fori e lobi, quest’ultimi si impegnano su dei perni o rulli fissi a telaio disposti a cerchio attorno all’albero d’ingresso. I perni fungono da denti d’ingranaggio e superano il numero di lobi nella camma. Nei fori del disco cicloidale si impegnano dei perni a rulli di un albero d’uscita così da realizzare un moto in uscita opposto al moto in ingresso.

Il rapporto di trasmissione è calcolato come il rapporto tra la differenza del numero di denti della ruota cicloidale e quella fissa sul numero di denti della ruota cicloidale −( − ) 0 = 1. È possibile realizzare più stadi in serie che permettono di avere rapporti di riduzione elevati anche sopra al 120:1. Sono riduttori che hanno un’efficienza compresa tra 80-90% e con giochi minori di 1 arcmin.

Volendo confrontare questa tipologia di riduttore con i riduttori epicicloidali, notiamo che:

• Sono più compatti (50% più corti).
• Pesano meno (20% in meno).
• Precisione leggermente migliore.
• Rigidezza simile.
• Efficienza inferiore.
• Velocità inferiore (50% in meno).

Volendo confrontare i tre tipi di riduttore a ruote dentate possiamo dire che i riduttori epicicloidali sono i più efficienti ma sono i più pesanti ed ingombranti, i riduttori cicloidi sono ottimi per carichi enormi, non necessitano tanta manutenzione e pulizia ma sono limitati quando si raggiungono velocità di rotazione elevate.

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.

Classifichiamo le diverse tipologie di trasmissioni flessibili e a ruote dentate:

1. A nastro: sono trasmissioni tipicamente impiegate in attivazioni pneumatiche dove si preferiscono utilizzare motori lineari piuttosto che rotativi, per ridurre le perdite di fluido. Sono trasmissioni realizzate tramite una sottile fascia in lega di acciaio. Hanno grosse limitazioni nella robotica perché producono un rapporto di trasmissione fino a 10:1 ma variabile, per via dello strisciamento sulla puleggia che è funzione del carico applicato. Per questo motivo è una soluzione tipicamente impiegata quando gli intervalli di movimento sono limitati.

   Hanno anche dei vantaggi, infatti sono trasmissioni abbastanza rigide, poco costose e l’elasticità del cavo permette di risolvere piccoli problemi di disallineamento sulla puleggia. Con l’allungamento della fascia si riesce a posizionare gli attuatori lontano dai giunti così da ridurre le inerzie.

2. Cinghie dentate: sono trasmissioni simili a quelle a nastro, ma avere una dentatura permette di avere sincronismo ingresso e uscita. Sono soluzioni più utilizzate di quelle a nastro perché sempre poco costose, ma più compatte e con rapporti di riduzione maggiori, se pur più cedevoli. Aumentare il rapporto di trasmissione in questa soluzione è relativamente semplice, basta utilizzarle in più stadi. Le cinghie devono sempre essere tensionate quindi a volte può essere prevista anche la presenza di un galoppino.

   L’elasticità e grandi masse della cinghia possono causare instabilità nella trasmissione.

3. Ruote dentate: sono la soluzione che garantisce una potenza affidabile con bassa manutenzione ed elevata rigidezza. Più le ruote dentate sono grandi e più si cerca di porle al basamento lontano dai giunti; per questo motivo molte volte la soluzione adottata è quella di realizzare diversi stadi della trasmissione con alberi molto lunghi così da separare il più possibile giunto e attuazione.

4. Ruota elicoidale-vite senza fine: è una trasmissione ad assi sghembi ed ortogonali tipicamente impiegata quando le velocità non sono troppo elevate. Sono trasmissioni con buona rigidità e capacità di carico, con elevati rapporti di trasmissione, compatti e semplici,