La Robotica industriale

Introduzione alla robotica industriale (parte prima)

La parola "robot" è di origine ceca ("robota" significa "lavoratore"); essa venne impiegata per la prima volta in un dramma utopico (a sfondo fantascientifico) del 1920 dello scrittore ceco Karel Capek (si pronuncia "Ciapek") e identificava degli umanoidi meccanici (inizialmente si trattava di replicanti organici, simili a quelli visti in "Blade Runner") progettati dall'ingegnere Rossum per essere di ausilio all'uomo. In questa e in altre narrazioni i robot solitamente erano i protagonisti negativi in quanto si ponevano come antagonisti dell'uomo.

Nel 1942 lo scrittore americano Isaac Asimov modificò la visione negativa dei robot, immaginando che gli androidi sarebbero stati costruiti per compiere un determinato lavoro. A lui va riconosciuto il merito di aver fondato la "robotica", sebbene in chiave puramente fantascientifica, come "scienza della progettazione e della costruzione di robot".

Nel racconto "The Caves of Steel" ("Abissi d'acciaio" in italiano) del 1953, Asimov immaginò che i robot dovessero incorporare, già in fase di progettazione, l'obbligo di sottostare alle tre leggi della robotica:

• Un robot non può causare danno ad un essere umano (prima legge della robotica);
• Un robot deve obbedire agli ordini di un essere umano a patto che tali ordini non contravvengano alla prima legge (seconda legge della robotica);
• Un robot deve proteggere la sua esistenza purché la difesa non contrasti con la prima e con la seconda legge (terza legge della robotica).

Dal 1961, anno in cui Unimation costruì (per la General Motors) il primo robot industriale chiamato "Unimate", ad oggi la robotica ha consentito un notevole salto qualitativo nel campo dell'automazione industriale.

Definizione di robot

Diamo la definizione di robot data dall'ISO: un robot industriale è un sistema manipolatore con vari gradi di libertà (GDL), automatico e riprogrammabile (cioè le sue funzioni possono essere modificate senza cambiare la struttura meccanica del sistema), multiscopo (ossia adatto a diverse applicazioni), fisso o mobile per uso in applicazioni di automazione industriale. Personalmente preferisco il termine "automa", vale a dire che il robot è un automa predisposto a sostituire l'uomo in alcune lavorazioni di manipolazione con utensili, di montaggio, di controllo e di ispezione, dotato di memoria per l'immagazzinamento di istruzioni, programmabile secondo cicli ripetitivi su diversi assi di movimentazione e infine flessibile (in modo da eseguire differenti operazioni). Pertanto, le caratteristiche salienti di un robot sono le seguenti:

• Un robot deve essere idoneo ad eseguire compiti diversi;
• Un robot non ha bisogno del controllo da parte dell'uomo;
• Un robot è in grado di manipolare pezzi;
• Un robot può eseguire lavori pericolosi per l'uomo.

P.S. Faccio presente che il termine "intelligente" applicato ai robot non ha nulla a che vedere col significato corrente; in questo contesto la terminologia corretta è "macchina adattativa".

Introduzione alla robotica industriale (parte seconda)

Prima di fornire alcune definizioni relative alla struttura meccanica di un robot, vorrei puntualizzare un paio di aspetti che ritengo importanti: in primo luogo, i robot, pur essendo macchine flessibili, sono strutturati in modo diverso, in base alle mansioni a cui sono destinati e quindi non esistono (e probabilmente non esisteranno mai) "robot universali". Considerando i soli "automi industriali", le differenze strutturali sono meno spiccate poiché, essendo essi manipolatori, essenzialmente operano tutti con un "braccio" e con una "mano".

In secondo luogo, gli automi sono sistemi "a retroazione" (feedback), vale a dire che operano ad "anello chiuso" (chi volesse sapere di più sui sistemi a retroazione, legga i miei appunti di "Cibernetica"); il feedback necessario "all'unità di governo" per la gestione del sistema è fornito da quelle grandezze rilevate tramite opportuni sensori, a sua volta l'unità di governo impartisce gli ordini al sistema di azionamento il quale, mediante degli attuatori, è in grado di muovere la struttura (che interagisce con l'ambiente esterno).

Definizioni

• La struttura a cui viene fissato il braccio si chiama "struttura portante" (support structure);
• Il "braccio" (arm) è una catena cinematica in grado di sostenere e muovere l'attuatore finale (può essere presente un "avambraccio", in tal caso il giunto si chiama "gomito");
• La "mano" (hand) rappresenta l'organo di presa;
• La parte terminale del braccio viene chiamata "end effector" (attuatore finale);
• Il meccanismo designato per eseguire movimenti sia lineari che di rivoluzione si chiama "giunto" (joint);
• Ciascuna delle direzioni verso cui un punto può muoversi si chiama "grado di libertà" (in pratica definisce la posizione del punto).

Infine possiamo definire un "orientamento" (yaw, l'imbardata, la rotazione angolare del corpo verso destra o sinistra), "un'inclinazione" (pitch, il beccheggio, la rotazione angolare del corpo verso l'alto o il basso) e una "rotazione" (roll, il rollio, la rotazione della mano attorno all'asse del braccio).

Tipi di giunti

Un corpo rigido costituente la catena cinematica di un robot è chiamato "link"; i link sono collegati tra loro mediante giunti (joint) meccanici di diverso tipo. I giunti possono essere rotoidali (o rotazionali) e prismatici (o traslazionali). Poi ci sono i giunti sferici e i giunti elicoidali.

Gradi di libertà

Il moto complessivo di un robot è scomponibile in una serie di moti elementari tra le coppie braccio-giunto, ciascuno dei quali implementa un "grado di libertà". La somma dei vari gradi di libertà garantisce il raggiungimento del cosiddetto "spazio di lavoro" (o volume di lavoro) da parte del robot. Considerando una terna di riferimento x-y-z fissa e una terna di riferimento x'-y'-z' mobile, solidale con l'end-effector, in fase di lavorazione un robot deve innanzitutto "posizionare" l'utensile in un dato punto nello spazio e poi "orientare" l'utensile in modo arbitrario nello spazio.

Pertanto, i gradi di libertà necessari ad un robot per poter raggiungere un punto dello spazio di lavoro sono sei (non tutti necessari, dipende dal tipo di lavorazione, solitamente si cerca di limitarli allo stretto necessario per motivi di precisione) e precisamente:

• Tre gradi di libertà per il posizionamento dell'end-effector rispetto alla terna fissa x-y-z;
• Tre gradi di libertà per l'orientazione dell'end-effector rispetto alla terna mobile x'-y'-z' (attorno alla terna fissa).

P.S. Riguardo all'aspetto cinematico, si possono avere due tipi di configurazione:

• Robot a cinematica seriale, in cui i link sono connessi in serie a giunti che ne collegano al massimo due, in modo da formare una catena cinematica aperta;
• Robot a cinematica parallela, in cui all'interno della catena cinematica si configura un percorso chiuso. Nell'immagine sotto riportata, vediamo un "esapode", tipico esempio di sistema robotico a cinematica parallela.

Geometrie di un robot

Generalmente un robot è dotato di tre assi principali nel braccio e da uno a tre assi addizionali nel polso. La classificazione più nota dei robot viene stilata in base al tipo di coordinate che individuano la posizione dell'end-effector per effetto dell'azionamento dei tre assi principali (è denominata classificazione "cinematica").

Un robot si definisce "cartesiano" quando i suoi assi hanno un moto definibile mediante coordinate cartesiane, composte da tre segmenti perpendicolari che si intersecano nell'origine. La struttura a giunti prismatici gli consente di ottenere una buona precisione. Il robot "cilindrico" è dotato di un braccio orizzontale, che scorre su un asse verticale, montato su una struttura rotante. Si tratta di una catena cinematica formata da due giunti prismatici (per le due traslazioni) e da uno rotante (per la rotazione). Ciascun punto dello spazio di lavoro (formato da cilindri concentrici) è individuato da una coordinata angolare, una radiale e una verticale (rispetto al piano di riferimento).

Il robot "polare" (il Robot "Unimate" era di questo tipo) è simile a quello cilindrico, con la differenza che allo spostamento verticale si sostituisce l'inclinazione del braccio. La struttura meccanica è composta da due coppie rotoidali e da una coppia prismatica; essa può essere descritta secondo un sistema di coordinate polari. Lo spazio di lavoro è rappresentato da porzioni di sfera.

Infine i robot "articolati" (spesso definiti "antropomorfi" per la somiglianza con il braccio umano) sono dotati di giunti solo di tipo rotante. Il braccio viene montato su una struttura rotante ed è formato da due giunti rotanti: la "spalla" e il "gomito". Questo tipo di struttura "antropomorfa" consente un'ampia flessibilità e molteplici impieghi, per contro la sua programmazione risulta più complessa per cui è richiesto un sistema di governo più evoluto.

Tra i robot articolati vanno annoverati quelli di tipo SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm), concettualmente di costruzione piuttosto semplice, che possiamo considerare come una combinazione tra un robot articolato e uno cilindrico. Il Robot SCARA ha una configurazione orizzontale, con due o tre giunti ("spalla", "gomito" e "polso") e un asse verticale, generalmente il suo spazio di lavoro è limitato per cui è adatto particolarmente per piccoli montaggi.

Cos'è una trasformazione geometrica

Una trasformazione geometrica è una corrispondenza biunivoca che consente di associare a ciascun punto di un piano un altro punto del piano stesso. Si dice che una trasformazione geometrica è una funzione biiettiva del piano in sé. Le proprietà di figure geometriche che in una trasformazione non cambiano si definiscono "invarianti" per quella trasformazione.

Ad esempio, in un omeomorfismo (dal greco "forma simile"), una particolare trasformazione "topologica", l'invariante è la "continuità" della figura (se su un palloncino si disegna una figura e poi lo si gonfia, la figura si deforma). In una trasformazione "proiettiva", in cui i segmenti si trasformano in segmenti e le rette in rette, l'invariante che si conserva è la "convessità" della figura (si pensi all'ombra di un libro generata da una lampada). In una trasformazione "affine" si conserva anche il parallelismo tra rette.

Le isometrie (la rotazione, la traslazione, la simmetria centrale e la simmetria assiale) descrivono i movimenti rigidi, ossia quei movimenti in cui le misure degli oggetti rimangono inalterate (in pratica la distanza tra i punti è l'invariante). In natura esistono numerosi esempi di...