La Robotica industriale

CINEMATICA DIRETTA E CINEMATICA INVERSA

Il problema di cinematica diretta consiste nel determinare la posizione della mano di un Robot in funzione della posizione dei giunti. La posizione di un link è determinata rispetto al link precedente tramite una trasformazione che matematicamente si esprime per mezzo di una matrice M. A partire dal frame, indicheremo con M(1-f) la matrice della posizione del link 1 rispetto al frame, con M(2-1) la matrice della posizione del link 2 rispetto al link 1 e così via. Per fornire un'idea della complessità dei calcoli implicati in tale problema, considerando un robot composto da quattro coppie cinematiche, la trasformazione tra la mano e il frame sarà espressa nel seguente modo: T(h-f) = M(1-f) * M(2-1) * M(3-2) * M(4-3). Il calcolo matriciale diventa più complesso nel caso di più gradi di libertà, motivo per cui si rende necessaria

L'implementazione della procedura su un personal computer. Per risolvere il problema di cinematica inversa, occorre determinare la posizione dei giunti e dei link al fine di ottenerla, noti la posizione e l'orientamento della mano rispetto al frame. Generalizzando il procedimento, anche in questo caso si può pervenire a calcoli più complicati, che richiedono l'utilizzo di algoritmi automatizzati su computer.

P.S. Ricordo che l'analisi cinematica va completata con la determinazione della velocità dei diversi movimenti, per cui i calcoli possono divenire particolarmente complessi.

ANALISI DINAMICA

L'analisi dinamica di un Robot mira a considerare le masse e le forze allo scopo di pervenire alla formulazione delle "equazioni dinamiche" del moto del braccio; ciò è necessario, oltre che al corretto dimensionamento degli organi componenti il braccio stesso, anche per l'implementazione dell'algoritmo.

SISTEMI DI AZIONAMENTO (ATTUATORI)

Per convertire i segnali provenienti dal sistema di governo in movimenti, ogni asse del robot ha bisogno di un sistema di azionamento in grado di trasformare l'energia disponibile per l'asse in energia meccanica. L'energia disponibile può essere di tre tipi: pneumatica, oleodinamica o elettrica (nella maggioranza dei casi gli azionamenti sono di tipo elettrico e operano in base ad uno

schema di controllo in catena chiusa). Gli attuatori pneumatici (cilindri, motori, ecc.) trovano largo impiego nella realizzazione di organi di presa e di manipolatori a sequenza fissa. Essi hanno il vantaggio di avere un funzionamento molto semplice ed affidabile e lo svantaggio di essere dinamicamente instabili. Di solito i cilindri vengono accoppiati a vari meccanismi per la trasformazione del moto lineare in moto rotatorio. Gli attuatori oleodinamici (cilindri, motori, ecc.) vengono utilizzati nei robot di movimentazione di grandi carichi, grazie al fatto che la tecnologia idraulica presenta un rapporto potenza/peso (e quindi elevate potenze specifiche) conveniente. D'altra parte, l'inconveniente è quello di costruire una centralina idraulica per produrre l'olio in pressione nello stesso luogo di utilizzo del sistema, con aumento dei costi e dell'ingombro. Gli attuatori elettrici (motori in c.c., in c.a., passo passo, ecc.) hanno bisogno normalmente di un

convertitore in grado di trasformare l'energia elettrica di rete e controllare la velocità di rotazione dell'albero. Da notare che i motori impiegati nell'automazione robotica hanno caratteristiche differenti rispetto a quelli di solito utilizzati nei servizi continui, a velocità costante o variabile in modo discreto. I vantaggi degli attuatori elettrici riguardano la precisione del comando mentre gli svantaggi sono la non elevata potenza specifica e l'emisione di scintille nell'ambiente.

L'END EFFECTOR (ORGANI DI PRESA E UTENSILI)

L'organo terminale di un robot, ovvero quello che si pone a contatto con gli oggetti su cui deve essere effettuata la lavorazione, viene denominato "end effector" (attuatore o effettore finale) ed è di due tipi: 1) organi di presa; 2) utensili. Gli organi di presa sono utilizzati negli automi manipolatori e di montaggio, gli utensili sono

impiegati invece negli automi che eseguono operazioni di saldatura (pinza, torcia, ecc.), di verniciatura (pistola a spruzzo, ecc.) e così via. È da notare che gli organi di presa hanno la funzione di sostituire la mano dell'uomo, compito non facile se si tiene presente che la mano dell'uomo ha 22 GDL. Nel caso delle applicazioni robotiche, tuttavia, gli elementi hanno bisogno di un numero limitato di GDL: di solito tre per il braccio e i restanti tre (in totale sono sei i GDL richiesti per il posizionamento e l'orientazione di un corpo nello spazio) per il polso e la mano. In base al tipo di energia richiesta per la forza di serraggio, si possono avere organi di presa elettromagnetici, elettromeccanici e pneumatici (questi ultimi sono i più diffusi). Dal punto di vista costruttivo si tratta di pinze meccaniche o magnetiche, ventose, ecc. Per quanto riguarda gli utensili, nel caso di diversi tipi di lavorazione, è da prevedere un apposito dispositivo.

Il comando di un robot viene attuato per mezzo di un sistema di governo e di una serie di sensori. Il sistema di governo acquisisce i segnali di retroazione provenienti dai sensori, li elabora in base ad un programma e infine invia i segnali di comando agli attuatori. Le funzionalità di governo sono realizzate per mezzo di PLC e micro-controller, i cosiddetti "sequenziatori numerici", sia pneumatici che elettronici, non sono più utilizzati attualmente. I sensori rilevano le grandezze fisiche ed effettuano la retroazione. Il controllo in catena chiusa può essere effettuato in tre modi: 1) point to point, memorizzando, per ciascun passo del ciclo di lavoro del Robot, le posizioni assunte dai componenti del braccio

grandezze relative al mondo esterno, come ad es. la prossimità, ecc.). Per la misurazione di grandi distanze, uno dei metodi più utilizzati è quello della "triangolazione", in cui si sfrutta la similitudine tra triangoli rettangoli. Un sistema di misura per le triangolazioni è costituito da un emettitore di luce e da un ricevitore. L'emettitore di luce ruota finché il raggio luminoso riflesso dall'oggetto colpito non arriva al ricevitore; dalla valutazione dell'angolo formato dal fascio luminoso e dal segmento che congiunge l'emettitore e il ricevitore è possibile risalire alla misura della distanza (nota la distanza ricevitore-emettitore). Per quanto riguarda i sensori tattili, essi possono essere digitali o analogici. I sensori tattili analogici restituiscono un segnale proporzionale alla forza di serraggio (nel caso più semplice si utilizza una molla, la cui compressione è proporzionale alla forza applicata).

In base alla legge di Hooke: F = -k*x). I sensori tattili digitali sono dispositivi ON/OFF, sensibili alla presenza dell'oggetto (si tratta di micro-interruttori che vengono interposti tra l'oggetto e la pinza). Per ottenere informazioni su zone più ampie rispetto a quella relativa a un solo sensore, si utilizzano delle "matrici tattili", costituite da più sensori (fissati, ad esempio, su un dito del robot). Infine occorre ricordare che attualmente la Robotica si sta evolvendo in nuove direzioni, negli ambiti della produzione flessibile e della miniaturizzazione. Talune applicazioni richiedono il supporto della "visione artificiale". Un sistema di visione artificiale è composto da una telecamera, in grado di rilevare il livello di intensità luminosa e trasformarlo in un segnale elettrico, e da un digitalizzatore che codifica i livelli bianco/nero o a scala di grigio in formato numerico.

ROBOT

Il primo metodo impiegato per la programmazione di un Robot