Risposte domande d'esame Meccanica dei robot

Domande e risposte

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).

La parte meccanica dei robot è un insieme di corpi collegati tra di loro attraverso delle coppie cinematiche che possono essere attive (se dotate di motore) o passive (se non dotate di motore); lo scopo dei robot è quello di manipolare, posizionare o muovere degli oggetti. La tipologia di oggetto e la traiettoria da compiere individua la struttura meccanica migliore.

Posso classificare i robot sia per tipo di architettura che per topologia. Suddividendo per architettura si trovano 2 famiglie:

• Robot manipolatori: hanno un basamento fisso, il loro compito è quello di spostare oggetti attraverso piccole traiettorie, compiere lavorazioni, aiutare l’operatore umano a svolgere dei compiti. Si dividono in:

1.1 Robot collaborativi: lavorano a stretto contatto con l’uomo dove non c’è una divisione fisica tra uomo e macchina, sono caratterizzati dall’essere piuttosto lenti per non provocare danni in caso di impatto, hanno una sensoristica molto sviluppata per evitare le collisioni, hanno vincoli più cedevoli, le dimensioni devono essere tali da poter essere maneggiati da umani; il loro focus è aiutare l’uomo.

1.2 Robot industriali: lavorano in un ambiente separato rispetto all’uomo, non è permessa la convivenza uomo macchina, sono robot molto veloci e rigidi con una sensoristica meno spinta per captare la presenza umana, le dimensioni sono molto varie e dipendono dal compito da svolgere; il loro focus è sostituire l’uomo in compiti pericolosi e logoranti.

• Robot mobili: non hanno un basamento fisso, sono in grado di muoversi in autonomia e compiere tragitti medio-lunghi, sono dotati di ruote, cingoli o eliche o altri meccanismi che permettono il movimento (es: gambe, strisciamento come serpente, molle, elementi piezoelettrici, rulli ecc. ecc.), il compito di questi robot è spostare oggetti (material handling) ma si stanno spostando sempre più in compiti più virtuosi come ricerca persone scomparse in ambienti ostili e disinnesco esplosivi.

Suddividendo i robot per topologia troviamo due famiglie:

• Robot seriali: sono caratterizzati dall’avere la catena cinematica aperta quindi le estremità non sono collegate, tutti i giunti devo essere attivi, il movimento di un giunto non comporta la modifica di un altro giunto, gli errori di posizione si sommano lungo la catena cinematica. In generale è più semplice controllarli in quanto è più facile risolvere la catena cinematica diretta; la forza massima esercitata da questo tipo di robot dipende dal giunto più cedevole, lo spazio di lavoro è facilmente aumentabile allungando i giunti.
• Robot paralleli: sono caratterizzati dall’avere la catena cinematica chiusa quindi non è possibile identificare univocamente le estremità (perché il telaio è considerato come se fosse un corpo appartenente al robot); gli errori in questo caso non si sommano e non tutti i giunti devono essere attuati, molto famosa è la configurazione Robot 5R il quale lavora in un piano. Sono più veloci rispetto ai precedenti e riescono ad avere una ripetibilità maggiore (gli errori di posizionamento si mitigano), di norma sono più veloci ed hanno accelerazioni maggiori dei precedenti perché hanno inerzie minori.

Manipolatori seriali

In base a quali coppie cinematiche utilizzo ed in quale ordine le posiziono trovo i differenti manipolatori seriali, ognuno è specializzato in un compito preciso. Troviamo i seguenti tipi di robot: Cartesiano; Cilindrico; Sferico; SCARA; Antropomorfo, polso sferico.

1 Manipolatori cartesiani: tipica forma delle stampanti 3D e dei carroponti, sono formati da tre coppie prismatiche ad assi perpendicolari, lo spazio di lavoro è un cubo/parallelepipedo ed ogni punto è descritto tramite le coordinate cartesiane. La catena cinematica è molto semplice ed il controllo è molto basilare, il movimento lungo i tre assi è disaccoppiato per cui gli errori di posizionamento non si sommano e la precisione non dipende dal punto dello spazio in cui mi trovo; la struttura è molto rigida e quindi la parte più cedevole è il motore e la trasmissione; altre applicazioni importanti risiedono nel material handling e nella pallettizzazione; al contrario di quanto si possa credere questa tipologia di robot è piuttosto costosa a causa della presenza di coppie prismatiche.

2 Manipolatori cilindrici: sono formati da una coppia rotoidale alla base e da due coppie prismatiche; la coppia rotoidale produce una rotazione del tronco del robot tracciando delle circonferenze, una coppia prismatica fa variare la coordinata z dell’EE e l’altra coppia prismatica fa variare il raggio della circonferenza, esistono dei punti cechi come un cilindro interno che rappresenta lo spazio necessario per il tronco. L’accuratezza dell’EE dipende da dove mi trovo nello spazio di lavoro infatti la coppia rotoidale produce un’inaccuratezza nella coordinata angolare ma l’errore dipende anche da quale raggio mi trovo per cui più sono lontano dal tronco più ho un errore grande. Molto usato in industrie elettroniche.

3 Manipolatori sferici: sono formati dalle prime due coppie rotoidali, lo spazio di lavoro dell’EE è una sfera (non completa a causa degli ingombri non eliminabili); la rigidezza è minore rispetto ai robot cilindrici. Non sono molto usati.

4 Manipolatori SCARA: Selective Compliance Assembly Robot Arm sono formati da due coppie rotoidali ed una prismatica (traslazione verticale dell’EE), gli assi delle tre coppie sono paralleli tra di loro, lo spazio di lavoro è formato dall’intersezione di vari cilindri disposti nello spazio la cui grandezza dipende dalla lunghezza delle braccia, per la conformazione ho una rigidezza molto spinta lungo l’asse Z ed una cedevolezza maggiore lungo le altre due direzioni, in operazioni come l’assemblaggio è una cosa gradita perché mi permette di non essere troppo preciso contando nella cedevolezza della catena cinematica, anche in questo caso l’accuratezza nella posizione dipende dal punto in cui mi trovo nello spazio. Sono dei robot molto usati nell’ambito dell’elettronica, sono veloci, ripetibili e con grande accuratezza, la velocità è garantita da una bassa inerzia poiché i motori del membro uno e due sono scaricati nel telaio, questo mi permette di avere delle braccia più snelle e motori più piccoli, tipicamente sono robot piccoli con una capacità di circa 2 Kg; spesso viene montato un quarto asse che permette la rotazione dell’EE per orientare il pezzo.

5 Manipolatori antropomorfi: sono formati da 3 coppie rotoidali le cui ultime due sono parallele tra di loro. Posso individuare la spalla ed il gomito (aggiungo un altro asse ed è il polso). La dinamica per la gestione della traiettoria è piuttosto complessa da risolvere ma ciò nonostante è una tipologia di robot molto comune; le accelerazioni raggiungibili sono circa costanti in tutte le direzioni e relativamente elevate se il robot è leggero; la complessità di controllo risiede nel fatto che le coordinate xyz sono separate dagli angoli nei singoli giunti. Questa tipologia di robot è molto usata in applicazioni in cui non è necessaria una forza eccessiva come per la verniciatura e la saldatura; per eliminare il motore dal giunto “gomito” si può inserire un arto supplementare che va a formare un quadrilatero, in questo modo l’attuazione del giunto avviene distante dal giunto stesso eliminando il peso del motore, inoltre il braccio risulta caricato a sforzo assiale e non più a flessione.

6 Manipolatore a polso sferico: spesso è un EE posto all’estremità di un robot, è formato da tre coppie rotoidali ad asse coincidente, deve essere compatto ed ha il compito di orientare l’asse in una direzione ben precisa; a causa della sua compattezza è difficile da realizzare e per eliminare il motore nel giunto è necessario un apparato di trasmissione complicato. È la parte più cedevole del robot per cui i carichi massimi sono limitati da questo organo.

https://drive.google.com/drive/folders/17bFsl12xYArWJEjc7AJraBBzTIf6QDLT?usp=share_link

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.

Il sistema di attuazione è la parte comprendente gli elementi necessari per il movimento reciproco dei corpi ed è formato da attuatori, amplificatori di potenza, sorgente di potenza ed elementi di trasmissione. Le trasmissioni meccaniche hanno il compito di portare la potenza meccanica uscente dal motore al giunto del robot, devono modificare la velocità e la coppia uscente dall’albero a valori richiesti dal robot, devono modificare il tipo di movimento (esempio da rotativo a lineare). È ormai pratica comune posizionare il motore lontano dal giunto per ridurre la massa (e quindi l’inerzia) in movimento, dover mettere il motore lontano implica una trasmissione lunga.

Nei casi in cui il motore è direttamente collegato al giunto l’obiettivo è quello di avere trasmissioni le più compatte possibili per ridurre sia pesi che ingombri; un altro compito di alcune trasmissioni è quello di aumentare la cedevolezza del sistema, funzione utile per i robot collaborativi. Di come applicazione troviamo le seguenti tipologie di trasmissione:

• Con cinghia o puleggia: aumenta cedevolezza, posizione del motore lontano dal giunto, basse coppie trasmissibili, meno precisione di realizzazione;
• Vite senza fine e chiocciola: inversione moto da rotativo a lineare, grandi carichi sopportabili, installazione delicata;
• Trasmissione epicicloidale: relativamente economica, alta efficienza, grande rigidezza, problema dei giochi, rapporti di trasmissione fino a 300 con più stadi in serie;
• Trasmissione armonica: costoso, compatto, fino a 300 con un solo stadio;
• Trasmissione cicloide: (dettaglio in seguito).

Riduttore cicloidale

La trasmissione cicloidale è oggigiorno sempre più diffusa perché è l’unica a lavorare con altissimi carichi, la trasmissione è composta da un albero in ingresso avente un eccentrico, questo eccentrico è posizionato all’interno di un cuscinetto (a rullini) per ridurre l’attrito; il cuscinetto è inserito all’interno di una camma particolare detta cicloide, questa ha dei lobi e delle rientranze che fanno presa con dei perni posti fissi nell’albero di uscita, il numero di lobi è leggermente minore del numero di perni e questo fa sì che durante la rotazione si compia una riduzione di velocità.

A causa della sua conformazione è in grado di sorreggere carichi elevati con un’efficienza maggiore rispetto a quella raggiungibile con il riduttore armonico e ciò nonostante i giochi e quindi la perdita di precisione è limitata; i rapporti di riduzione si attestano intorno ai 120:1 ma essendo lo sviluppo assiale contenuto si possono mettere più stadi in serie. Il rapporto di trasmissione si calcola come –(Z_p – Z_l)/Z_l dove Z_l è il numero di lembi e Z_p è il numero di perni del telaio.

Il rendimento seppur elevato rimane minore rispetto alle trasmissioni epicicloidali ma a differenza di questa il valore è circa costante al variare dalla velocità di rotazione; in ottica energy economy ultimamente si sta rivalutando l’utilizzo di riduttori epicicloidali ottimizzandoli per renderli più compatti e resistenti a carichi elevati anche se ancora ad oggi sono altamente diffusi in molti settori.

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.

Prima parte uguale a sopra.

La trasmissione con elementi flessibili come cinghie e nastri è particolarmente usata per esoscheletri, movimentazione di piccoli elementi come pinze di presa, giunti lontani o difficilmente raggiungibili, dove è richiesta una cedevolezza significativa, dove non è richiesta un’accelerazione significativa, dove non è richiesta una coppia significativa.

Con le trasmissioni flessibili perdo in precisione e ripetibilità ma spesso sono utilizzate in applicazioni che non richiedono queste cose, sono invece ottime in applicazioni che richiedono leggerezza ed economicità (es. arti umanoidi). Utilizzo ingranaggi a ruote dentate quando è richiesta alta ripetibilità, velocità, precisione e capacità di carico, ovviamente con questo tipo di trasmissioni si aumenta la massa e l’ingombro per cui non si possono utilizzare in spazi angusti come articolazioni di dita. Nella robotica umanoide vediamo molte trasmissioni flessibili mentre per la robotica industriale molte trasmissioni a ruote dentate.

Harmonic Drive

La trasmissione armonica è una particolare trasmissione a ruota dentata composta da 3 parti principali: wave generator; flex spline; circular spline. Il wave generator è un organo ellittico che ruotando crea un’eccentricità, la parete esterna del wave generator è liscia ed è la parte accoppiata con la flex spline, queste due parti strisciano tra di loro.

La flex spline è una corona circolare sottile dotata di dentatura esterna realizzata in materiale metallico; il wave generator deforma la flex spline (da circolare ad ovale), ipotizzando di bloccare la flex spline e mettendo in movimento il wave generator vediamo che la corona sottile cambia la deformata seguendo il movimento dell’ovale. Il terzo elemento è la circular spline, un disco con dentatura interna fissa, mettendo i due elementi dentro quest’ultimo e mettendo in rotazione il wave generator l’ingranamento avviene soltanto con pochi denti.

Circa ogni giro di wave generator la flex spline ruota di un dente, mettendo la flex spline collegata con un albero in uscita ho generato un riduttore di velocità molto molto spinto anche se le perdite di attrito e deformazione non mi permettono di avere rendimenti maggiori all’80% poiché la differenza di denti tra circular spline e flex spline è poca riesco ad avere rapporti di trasmissioni fino a 320:1; il rapporto di trasmissione lo calcolo come l’angolo compiuto dal flex diviso il corrispondente angolo compiuto dal wave generator, che altro non è che –(z_c – z_f)/z_f.

Tra i riduttori questi sono i più compatti e con un singolo stadio riescono a compiere un rapporto di trasmissione elevatissimo, di contro è la velocità che rimane limitata, la manutenzione/durabilità ed il rendimento molto basso. A causa della sua compattezza lo rendono il più leggero di tutti ed è l’unico a non avere dei giochi (se non piccolissimi) perché il contatto è sempre realizzato con circa il 30% dei denti e quindi ci sarà sempre attrito tra i denti.

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.

I servomotori servono per mettere in movimento il robot, storicamente è stato un compito esclusivo dei servomotori pneumatici ed idraulici, ora con l’avvento della tecnologia e del progresso i motori elettrici sono diventati i re indiscussi, oramai i motori elettrici sono in grado di esercitare grandi coppie pur rimanendo compatti e relativamente leggeri, i motori elettrici più comuni sono i servo lineari (BM) ed i motori passo passo (sempre brushless DC).

I primi si gestiscono in tensione ed hanno bisogno di un sistema di retroazione chiuso (sistema con feedback), più tensione do al motore e più veloce girano; sono piuttosto leggeri e raggiungono velocità notevoli anche se hanno coppie limitate per cui sono costretto ad affiancarli ad un riduttore di velocità prima di collegarli al giunto, vengono molto usati perché hanno un ottimo comportamento dinamico con rendimenti >95%; questi come altri motori elettrici non sono adatti a carichi statici infatti il motore deve generare una coppia per mantenere l’equilibrio ma ciò vuol dire far scorrere molta corrente nel motore per questo motivo spesso vengono affiancati a dei freni che hanno il compito di scaricare il motore da questo affaticamento.

La velocità viene spesso gestita con una variazione di corrente che porta a dei rumori ed interferenze; essendo p