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1 Introduzione al corso Introduzione Def. di Robotica e Robot, Robotica industriale, Classificazione dei robot, Applicazioni, Mercato della Robotica Cinematica (relazioni tra posizioni dei giunti e posizione e orientamento dell organo terminale) Matrice di rotazione, Composizione di matrici di rotazione, Angoli di Eulero,Trasformazioni omogenee, Cinematica diretta, Convenzione di Denavit-Hartenberg, Cinematica di strutture tipiche, Spazio dei giunti e spazio operativo, Cinematica inversa, Cenni alla cinematica differenziale (relazioni tra velocità dei giunti e velocità dell organo terminale)

2 Dinamica (equazioni del moto del manipolatore in funzione delle forze e momenti agenti su di esso) Formulazione di Lagrange, Modello dinamico di strutture tipiche Pianificazione di traiettorie Traiettorie nello spazio dei giunti, Moto punto-punto, Moto su percorso assegnato, cenni alle traiettorie nello spazio operativo Controllo del moto (determinazione delle forze/coppie agli attuatori per garantire l esecuzione delle traiettorie di riferimento) Il problema del controllo, Controllo nello spazio dei giunti, Controllo indipendente ai giunti, Compensazione in avanti a coppia precalcolata, Cenni al controllo centralizzato ed alle tecniche avanzate di controllo, cenni al controllo dell interazione) Attuatori e sensori (cenni) Unità di governo Tecniche di controllo intelligente Reti neurali, Fuzzy logic, Algoritmi di ottimizzazione

3 ROBOTICA Studio di macchine che possano sostituire l uomo nell esecuzione di un compito, sia in termini di attivita fisica che decisionale Radici culturali mitologia Automa=creatura meccanica creata per sostituire l uomo era industriale: robot (robota = lavoro esecutivo) commediografo ceco Capek, 1921

4 Cenni storici Anni 40 Programmi di ricerca per lo sviluppo di manipolatori meccanici con controllo a distanza per la manipolazione di materiali radioattivi :architettura master-slave, il robot riproduce i movimenti dell operatore Anni 50 Dispositivo di trasferimento articolato programmato, il robot esegue una sequenza di operazioni programmate Anni UNIMATE (Unimation Inc.) primo robot industriale, associazione tra un calcolatore ed un manipolatore, viene usato dalla General Motor come asservimento ad una macchina per la pressocolata Introduzione dei sensori

5 anni 70: installazione di diversi tipi di robot commerciali ad azionamento elettrico o idraulico il costo dei robot risulta concorrenziale con la manodopera da allora in poi lo sviluppo è stato rapido

6 Trend di sviluppo della robotica industriale sistemi user-friendly sviluppo del software per la programmazione on-line, il monitoraggio remoto, sviluppo di programmi da parte di non esperti maggiori funzionalità (sensori, sistemi di visione, autonomia) integrazione hw-sw mirata al processo

7 Al di fuori del contesto industriale assumono sempre maggiore rilevanza i service robot : robot che opera in maniera parziale o completamente autonoma per compiere servizi utili al benessere di uomini o attrezzature applicazioni attuali per uso professionale: robot sottomarini (27%) per demolizioni (20%) medicali (15%) per laboratori (9%) in agricoltura (6%) altri (23%) applicazioni per uso privato: pulizia pavimenti taglio erba divertimento

8 progetto in fase di sviluppo: Shear Magic (Australia) (robot per la tosatura automatica delle pecore: tosa le pecora posta su un carrello muovendone opportunamente le zampe e il muso, riconosce la forma della pecora, pianifica la traiettoria, identifica e compensa i movimenti della pecora tramite sensori a ultrasuoni, corregge il movimento per evitare i tagli tramite sensori di contatto, impiega il doppio del tempo di un uomo ma riduce le abrasioni)

9 Robotica Un ROBOT è un manipolatore multifunzionale riprogrammabile progettato per spostare materiali, parti, utensili o dispositivi specializzati, per mezzo di movimenti variabili programmati per l esecuzione di un dato numero di compiti. (Robot Institute of America, 1980) La robotica è stata recentemente definita come la scienza che studia la connessione intelligente tra percezione e azione

10 Capacità di agire sull ambiente: sistema meccanico (locomozione + manipolazione) (progettazione meccanica, scelta dei materiali, scelta degli attuatori) Capacità di percezione sistema sensoriale (sensori propriocettivi ed eterocettivi) (condizionamento ed elaborazione dei segnali, scelta dei sensori) Connessione tra azione e percezione sistema di governo:comanda l esecuzione dell azione nel rispetto dei vincoli imposti dal sistema meccanico e dell ambiente (ambiente di programmazione, architettura del sistema di elaborazione e controllo, politiche di controllo, intelligenza artificiale) Robotica avanzata: spiccate caratteristiche di autonomia applicazioni in ambiente ostile (spaziale, sottomarino, nucleare, militare,...) missioni di servizio (applicazioni domestiche, assistenza medica, assistenza ai disabili, agricoltura,...). Eta infantile: prototipi Robotica industriale: ambiente fortemente strutturato progettazione, governo e applicazioni dei robot in ambito industriale Tecnologia matura

11 Automazione Tecnologia il cui obiettivo è quello di sostituire la macchina all uomo in un processo di produzione, non solo per quanto riguarda l esecuzione delle operazioni materiali, ma anche per ciò che concerne l elaborazione intelligente delle informazioni sullo stato del processo. automazione rigida (produzione in serie di grossi volumi di manufatti di caratteristiche costanti) automazione programmabile (produzione di piccoli e medi lotti di manufatti di caratteristiche variabili) automazione flessibile (produzione di lotti variabili di manufatti diversi) I robot industriali sono i componenti tipici dei sistemi di automazione programmabili, possono comunque svolgere compiti sia in sistemi rigidi che flessibili

12 I robot Industriali Un robot industriale è costituito da : Una struttura meccanica, o manipolatore, che consiste in un insieme di corpi rigidi (bracci) interconnessi tra loro per mezzo di articolazioni (giunti); nel manipolatore si individuano una struttura portante, che ne assicura la mobilità, un polso, che conferisce destrezza, ed un organo terminale che esegue il compito per il quale il robot è utilizzato. Attuatori che imprimono il movimento al manipolatore attraverso l azione dei giunti; si impiegano usualmente motori elettrici, idraulici e talvolta pneumatici. Sensori che misurano lo stato del manipolatore ed eventualmente lo stato dell ambiente. Una unità di governo con funzioni di controllo e supervisione dei movimenti del manipolatore.

13 Manipolatore industriale

14 Applicazioni dei Robot Industriali Manipolazione Trasferimento di materiali Ispezione di materiali e misura

15 Applicazioni dei Robot Industriali TRASPORTO palettizzazione (disposizione di oggetti in maniera preordinata su un opportuno supporto raccoglitore) carico e scarico di magazzini carico e scarico di macchine operatrici e macchine utensili selezione e smistamento di parti confezionamento di merci

16 Applicazioni dei Robot Industriali MANIPOLAZIONE saldatura verniciatura a spruzzo fresatura e trapanatura incollaggio taglio finitura assemblaggio di gruppi meccanici ed elettrici montaggio di schede elettroniche avvitatura cablaggio

17 Applicazioni dei Robot Industriali MISURA e ISPEZIONE collaudo dimensionale rivelamento di profili individuazione di difetti di fabbricazione

18 Struttura dei manipolatori Catena cinematica aperta o chiusa una catena cinematica è detta aperta quando vi è una sola sequenza di bracci che connette i due estremi della catena. Alternativamente un manipolatore contiene una catena cinematica chiusa quando una sequenza di bracci forma un anello (garantiscono una maggiore rigidezza, hanno migliore precisione per portate più elevate).

19 Giunti di tipo prismatico o di tipo rotoidale. In una catena cinematica aperta ogni giunto, prismatico o rotoidale, conferisce un singolo grado di mobilità. Un giunto prismatico realizza un moto relativo di traslazione tra due bracci Un giunto rotoidale conferisce un moto relativo di rotazione tra due bracci. Asse (di un giunto): direzione lungo la quale o attorno la quale una parte del robot può muoversi il numero di assi corrisponde al numero di gdl

20 Gradi di mobilità I gradi di mobilità devono essere opportunamente distribuiti lungo la struttura meccanica in modo da fornire i gradi di libertà richiesti, per l'esecuzione di un dato compito. Caso generale: compito che consiste nel posizionamento e orientamento di un oggetto sono necessari sei gradi di libertà se il numero dei gradi di mobilità sono superiori ai gradi di libertà richiesti, il manipolatore si dice ridondante, in tal caso alcuni movimenti possono essere fatti con diverse combinazioni di movimenti dei singoli attuatori e si può scegliere il movimento ottimo.

21 Spazi Spazio di lavoro Parte dell ambiente a cui l organo terminale può accedere (dipende dalla struttura e dai fine corsa dei giunti) Spazio di movimento Parte dell ambiente che può essere toccato da qualsiasi parte in movimento del robot (dove c è pericolo di urto)

22 Misura degli errori di posizione precisione (o accuratezza): differenza tra la posizione desiderata (posa di comando) e la media delle posizioni raggiunte in più ripetizioni ripetitibilità: dispersione delle pose di risposta rispetto alla media

23 Classificazione dei manipolatori Geometria cartesiana Geometria cilindrica Geometria sferica Geometria SCARA Geometria antropomorfa

24 Geometria Cartesiana 3 giunti prismatici con assi ortogonali tra loro Ad ogni grado di mobilità corrisponde un grado di libertà ottime caratteristiche di rigidezza meccanica precisione di posizionamento del polso costante nello spazio di lavoro scarsa destrezza operazioni di trasporto e assemblaggio azionamenti elettrici (talvolta pneumatici)

25 Struttura cartesiana a portale: manipolazione di oggetti di dimensione e peso rilevanti

26 Struttura a portale Unità lineare Kuka KL 250 con robot KR 15/2

27 Geometria cilindrica un giunto rotoidale e due prismatici ad ogni grado di mobilità corrisponde un grado di libertà in coordinate cilindriche buone caratteristiche di rigidezza meccanica la precisione di posizionamento del polso si riduce al crescere dello sbraccio orizzontale operazioni di trasporto di oggetti anche di peso rilevante azionamenti idraulici (o elettrici)

28 Geometria sferica due giunti rotoidali e uno prismatico ad ogni grado di mobilità corrisponde un grado di libertà in coordinate sferiche discrete caratteristiche di rigidezza meccanica può manipolare oggetti sul pavimento la precisione di posizionamento del polso si riduce al crescere dello sbraccio radiale operazioni di lavorazione azionamenti elettrici

29 Geometria SCARA due giunti rotoidali e uno prismatico con assi del moto paralleli tra loro Selective Compliance Assembly Robot Arm elevata rigidezza a carichi verticali e cedevolezza a carichi orizzontali la precisione di posizionamento del polso si riduce al crescere della distanza del polso stesso dall asse del primo giunto manipolazione di piccoli oggetti, assemblaggio per inserimenti verticali azionamenti elettrici

30 Geometria SCARA Robot AdeptOne XL (SCARA a 4 giunti) Sbraccio 800mm, portata 12 Kg Velocità 1200mm/s giunto prismatico Da 600 a 3300 gradi/s per i 3 giunti rotoidali

31 Geometria Antropomorfa 3 giunti rotoidali L asse di rotazione della base è ortogonale agli altri due che sono paralleli I giunti vengono detti spalla e gomito struttura più destra precisione di posizionamento variabile applicazioni molteplici azionamenti elettrici

32 Geometria Antropomorfa

33 Geometria Antropomorfa Antropomorfo a 6 giunti Polso non sferico Sbraccio orizontale 1458 mm Sbraccio verticale 2208 mm Velocità primi 3 giunti /s Velocità ultimi 3 giunti /s Portata 16 kg Robot Comau SMART S2

34 Polso sferico La struttura del manipolatore ha il compito di posizionare il polso Il polso ha il compito di orientare l organo terminale Per garantire orientamenti arbitrari nello spazio 3D sono necessari 3 gradi di mobilità realizzati da giunti rotoidali I 3 assi di rotazione si intersecano in un punto caratteristiche di compattezza e destrezza disaccoppiamento tra posizione e orientamento Organo terminale specificato in relazione al compito che il robot deve eseguire - pinza (trasporto) - utensile o dispositivo specializzato (lavorazione e assemblaggio)

35 La scelta del tipo di robot adatto per un compito specifico dipende dai vincoli sullo spazio di lavoro richiesto, sulla destrezza, sulla precisione di posizionamento, sulle prestazioni dinamiche

36 Mercato della Robotica

37 Mercato della Robotica

38 Mercato della Robotica

39 Mercato della Robotica

40 Mercato della Robotica

41 Mercato della Robotica

42 Mercato della Robotica

43 ROBOTICA Vincoli Coppie Movimento nello spazio dei giunti Generatore di traiettorie Cinematica inversa Controllo delle traiettorie Attuatori Meccanica Ambiente Controllo del compito Compito Sensori di stato interno Sensori di stato esterno

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