Tecnologie avanzate nei sistemi di controllo e sensori robotici

Il sistema di comando del robot

Il funzionamento del sistema del comando del robot è complesso: i movimenti del braccio sono caolcolati dall'unità di governosulla base sia del programma, che dello stato reale del robot e dell'ambinete; naturalmente anche l'operatore, per mezzo di idonea interfaccia puo intervenire sull'unita di governo in qualsiasi momento.

Il programma è constituito dall'insieme di operazioni che consentono l'esecuzione del compito assegnato all'automa. Tale esecuzione è resa possibile dal C.P.U. (Central Process Unit) dell'unita di governo che calcola matematicamente tutti i dati relativi al movimento del braccio e li invia al sistema di azionamento costituito dall'insieme degli attuatori.

Quali sono le modalità di controllo del robot?

Il controllo può essere effettuato con varie modalità:

-punto-punto (point to point)

-continuo(path)

-adattativo

Ogni link del braccio è equipaggiato con un sensore che fornisce al controllore un segnale elettrico proporzionale alla posizione assunta.

L'unità di governo confronta il valore con quelllo di riferimanto, registrato in memeoria, e provvede a compensare l'errore; con un procedimento iterattivo è possibile ridurre questo a valori assai prossimi allo zero consentendo al braccio di assumere la posizione corretta.

Controllo punto-punto e applicazioni

Il controllo punto-punto consiste nel memorizzare le posizioni assunte dai vari componenti del braccio ad ogni passo del ciclo di lavoro del robot.

Un'applicazione che puo essere affrontata con questo tipo di controllo è , ad esempio, la pallettizzazione; tale operazione consiste in genere nell'afferrare un singolo pezzo dalla linea o dalla macchina che lo produce e nel depositarlo in un determinato punto del palllet.

La difficoltà maggiore è costituita dal fatto che ad ogni pezzo prelevato la mano deve raggiungere un punto diverso del pallet, pertanto occorre memorizzare l'intera sequenza dei movimenti neccessari a riempire il pallet stesso.

Concludiamo con le considerazioni sul controllo punnto-punto sottolineando che ogni movimento può coninvolgere due o più link, la memorizzazione riguarda la posizione di essi solo all'inizio e alla fine del movimento, mentre la traiettoria seguita dalla mano dipende dal coordinamento degli azionamenti. Le velocità dei link possono essere regolate in modo da far terminare i vari movimenti nello stesso istante.

Controllo continuo e adattativo

Per compiere operazioni come la verniciatura o la saldatura a filo continuo non è sufficiente controllare i punti d’inizio e fine di ogni movimento del braccio, come avviene nel caso del comando punto-punto, ma occorre controllare tutto il percorso dell'End Effector(la parte trminale del braccio del robot) equipaggiato con la pistola a spruzzo o con la torcia. Normalmente il controllo continuo si ottiene come estensione di quello punto-punto aumentando notevolmente i punti controllati attraverso il ricorso ad una elevata capacità di memorizzazione; naturalmente possono realizzarsi diverse traiettorie:

-rettilinea

-circolare

-poligonale

Nel controllo adattativo gli ordini inviati agli attuatori vengono cambiati automaticamente in funzione delle modifiche ambientali in modo da superare eventuali situazioni anomale per soddisfare sempre le condizioni prefissate.

È il comando tipico dei robot di montaggio per i quali, come si deduce dalla figura sottostante, assume particolare importanza il rilevamento continuo della posizione relativa delle superfici d'accoppiamento.

Tale funzione è svolta mediante rilevatori di riferimento che possono funzionare secondo uno dei metodi seguenti:

-rilevazione diretta

- rilevazione indiretta.

Il primo consiste nell'effettuare misure posizionali direttamente sulle superfici d'accoppiamento; la rilevazione indiretta, invece, è basata su misurazioni eseguite sul pezzo in una zona diversa da quella di montaggio.

Il robot di montaggio adattativo opera attraverso le tre fasi:

- rilevazione della posizione di un pezzo,

- aggiustamento della posizione dell'altro pezzo,

- assemblaggio.

Il servocontrollo più utilizzato nei sistemi robotici di questo tipo è quello proporzionale integrativo e derivativo dell'errore rispetto al tempo (PID).

Le prestazioni del sistema di controllo dipendono molto dal particolare tipo di applicazione; quelle più importanti sono:

- le capacità di memorizzazione,

- le capacità di calcolo,

- le capacità sensoriali (adattative).

Per un robot di saldatura a punti sono necessarie poche memorie, limitate capacità di calcolo e nessuna capacità sensoriale; al contrario un automa per una saldatura continua richiede elevate capacità di calcolo e sensoriali.

Sensori interni ed esterni

I sensori del robot possono essere classificati in:

- interni,

- esterni.

I primi rilevano grandezze fisiche inerenti la struttura meccanica dell'automa come ad esempio posizioni, velocità ed accelerazioni dei vari link.

I sensori esterni inviano all'unità di governo la «descrizione» del mondo esterno al robot misurando ad esempio distanze, posizioni e velocità di altri componenti il sistema d'automazione oppure riconoscendo le forme degli oggetti circostanti.

Grazie alle attuali tecnologie è possibile misurare ogni tipo di grandezza; il mercato della strumentazione di campo propone un'offerta estremamente diversificata di sensori; nel paragrafo diamo un cenno alle problematiche di quelli esterni perché rivestono un'importanza strategica per la robotica.

I sensori del «mondo esterno» possono essere suddivisi nelle due categorie seguenti:

- sensori a contatto

- sensori a distanza.

I primi sono sensibili ad azioni fisiche direttamente applicate ad esse come ad esempio il tatto e il movimento; gli altri rilevano alcune caratteristiche del mondo esterno, come ad esempio distanza e prossimità, senza contatto fisico diretto; l'interazione fisica necessaria alla misura avviene per mezzo di onde acustiche ed elettromagnetiche.

L'esigenza della flessibilità ha spinto le case costruttrici ad un grande impegno di ricerca nel campo dei sensori.

Le principali grandezze da rilevare nell'ambiente circostante ad un robot sono, oltre alla visione:

- distanza

- prossimità

- tatto.

Per come è strutturato e per come deve operare è evidente che al robot necessita con continuità di valutare la distanza tra di esso e gli oggetti che si trovano nel suo campo di lavoro.

Tecnologie di rilevamento della distanza

Grazie all'impiego dei sensori di distanza è possibile controllare il moto del braccio e soprattutto evitare ostacoli imprevisti lungo le sue traiettorie.

I metodi più impiegati sono:

- la triangolazione,

- l'illuminazione strutturata

- il tempo di ritorno.

Il sistema di rilevamento per triangolazione può essere immaginato come indicato nella figura sottostante; l'emettitore di luce ruota finché il fascio luminoso riflesso dall'oggetto non colpisce il ricevitore.

A questo punto la valutazione dell'angolo α consente la valutazione di d , essendo nota la distanza tra ricevitore ed emettitore.

L'illuminazione strutturata consiste nel proiettare un fascio luminoso verticale attraverso una fessura e nel valutare con un sistema di visione la distorsione della figura generata sugli oggetti da esso incontrati.

Nei metodi basati sulla misura del tempo di ritorno la valutazione della distanza avviene attraverso la rilevazione del tempo trascorso tra l'emissione ed il ritorno di un'onda acustica o elettromagnetica; sono impiegati dispositivi ad ultrasuoni nel primo caso, a laser di piccola potenza nel secondo.

Sensori di prossimità e tattili

I sensori di prossimità sono impiegati per individuare la presenza di un oggetto entro un intervallo di distanza prefissato e generalmente non grande, dal sensore stesso.

Vengono impiegati allo scopo sensori:

- induttivi

- capacitivi

- a ultrasuoni

- ottici

- ad effetto Hall

La percezione tattile riveste particolare importanza nella manipolazione degli oggetti da parte dell'End Effector dell'automa.

I sensori tattili possono essere:

- digitali

- analogici.

I sensori tattili digitali sono componenti, di tipo On/Off, sensibili solo alla presenza dell'oggetto; sono di concezione estremamente semplice essendo costituiti da microinterruttori che si vengono ad interporre tra l'oggetto e la pinza come mostrato in figura sottostante.

Principio di funzionamento di un sensore tattile digitale.

I sensori tattili analogici forniscono un segnale proporzionale alla forza di serraggio; nei modelli più semplici ciò è ottenuto per mezzo di una molla, come indicato in figura seguente, il cui schiacciamento è proporzionale alla forza applicata in base alla relazione di Hooke:

F= - K * X

dove K è la costante di elasticità del materiale di cui è costituita la molla.

Per funzionare, un tale sensore deve essere ovviamente collegato ad un rilevatore di x; questo può essere ad esempio un potenziometro sia lineare che rotante; in quest'ultimo caso si deve avere un dispositivo di conversione della traslazione in rotazione.

Esistono altri sensori tattili basati sull'impiego di materiali conduttivi elastici, prevalentemente a base di grafite, che manifestano una resistenza elettrica proporzionale allo schiacciamento subito.

Qualunque sia il sensore impiegato risulta molto interessante la tecnica della realizzazione di matrici tattili per avere informazioni su un'area più grande di quella relativa ad un solo sensore (come in figura sopra).

Si prevede per un futuro molto vicino che i sensori tattili saranno in grado di fornire informazioni conoscitive per l'identificazione dell'oggetto afferrato (rugosità superficiale, temperatura, durezza, ecc...).