Introduzione alla Robotica

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1 1/43 Introduzione alla Robotica Fabrizio Caccavale AREA Lab Scuola di Ingegneria Università degli Studi della Basilicata Si ringrazia il Prof. Bruno Siciliano per aver fornito il materiale necessario per la preparazione di questi lucidi

2 Informazioni generali sul corso Introduzione alla Robotica 2/43! Docente: Fabrizio Caccavale! Scuola di Ingegneria, Campus di M. Romana, V piano dell edificio Ingegneria! Recapito tel. + indirizzo / fabrizio.caccavale@unibas.it! Avvisi e materiale didattico: Materiale didattico! Lucidi (disponibili in formato pdf su Libro di testo: B. Siciliano, L. Sciavicco, L. villani, G. Oriolo, Robotica: Modellistica, Pianificazione e Controllo (3 ed.), McGraw-Hill! Modalità d esame! Discussione elaborato progettuale (assegnato durante il corso)! Prova orale

3 Modellistica, pianificazione e controllo Introduzione alla Robotica 3/43! Modellistica! Cinematica (Cap. 2)! Cinematica differenziale (Cap. 3)! Dinamica (Cap. 7)! Algebra lineare (App. A)! Meccanica dei corpi rigidi (App. B)! Pianificazione! Pianificazione di traiettorie (Cap. 4)! Controllo! Attuatori e sensori (Cap. 5)! Unità di governo (Cap. 6)

4 Robotica Introduzione alla Robotica 4/43! Studio di macchine che possano sostituire l'uomo nell'esecuzione di un compito, sia in termini di attività fisica che decisionale! Radici culturali! Mitologia! Automa! Robot (robota = lavoro esecutivo)! Letteratura fantascientifica! Leggi fondamentali (Asimov)! Un robot non può far del male a un essere umano né consentire, restando inoperoso, che un essere umano si trovi in pericolo! Un robot deve obbedire agli ordini impartiti da esseri umani, a meno che tali ordini non entrino in conflitto con la prima legge! Un robot deve proteggere la sua esistenza a meno che tale protezione non vada in conflitto con la prima o la seconda legge

5 Th e ima g e c an no t be di sp lay ed. Y o ur co m pu te r m ay n ot h av e e no u gh m em o ry to o pe n t he ed. im ag Restar e, tyour o r t computer, he im ag andthen e ma y opent ha ve he fib leagain. e n co Ifrru ther p ed t x st il appear s, youmay havet odelet ethe image and the n i ns ert it ag ai n. Evoluzione della robotica Introduzione alla Robotica 5/43 BISOGNO SOGNO di macchine dell Uomo utili di replicare sé stesso Robotica industriale Robotica per l esplorazione 2005 Applicazioni manifatturiere Robotica di servizio Robotica umanoide Applicazioni spaziali Applicazioni mediche Robotica personale

6 Definizione Introduzione alla Robotica 6/43! Robotica: connessione intelligente tra percezione e azione CONTROLLO ATTUATORI SENSORI

7 ! Sistema meccanico! Organi di locomozione (ruote, cingoli, gambe meccaniche) Componenti di un robot! Organi di manipolazione (braccia meccaniche, utensili, mani artificiali)! Sistema di attuazione! Anima le componenti meccaniche del robot! Controllo del moto (servomotori, azionamenti e organi di trasmissione)! Sistema sensoriale! Sensori propriocettivi (stato interno del robot)! Sensori esterocettivi (stato esterno dell ambiente)! Sistema di governo! Esecuzione dell azione nel rispetto della pianificazione del compito e dei vincoli imposti da robot e ambiente! Adozione del principio del feedback (retroazione)! Impiego di modelli del sistema robotico Introduzione alla Robotica 7/43

8 Robot manipolatori Introduzione alla Robotica 8/43! La struttura meccanica di un robot manipolatore consiste in un insieme di corpi rigidi (bracci) interconnessi tra di loro per mezzo di articolazioni (giunti)! Struttura portante che assicura mobilità! Polso che conferisce destrezza! Organo terminale che esegue il compito per cui il robot è utilizzato! Struttura meccanica a catena cinematica aperta o a catena cinematica chiusa! Mobilità (giunti prismatici o rotoidali)! Gradi di libertà! 3 per la posizione + 3 per l orientamento! Spazio di lavoro (porzione dell ambiente circostante a cui può accedere l organo terminale)

9 Giunti Introduzione alla Robotica 9/43! Rotoidali e Prismatici

10 Manipolatore cartesiano Introduzione alla Robotica 10/43! Tre giunti prismatici! Ottime caratteristiche di rigidezza meccanica! Precisione di posizionamento del polso costante nello spazio di lavoro! Operazioni di trasporto e assemblaggio! Azionamenti elettrici (talvolta pneumatici)

11 ! Manipolazione di oggetti di dimensione e peso rilevanti Manipolatore a portale Introduzione alla Robotica 11/43

12 Manipolatore cilindrico Introduzione alla Robotica 12/43! Un giunto rotoidale e due prismatici! 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)

13 Manipolatore sferico Introduzione alla Robotica 13/43! Due giunti rotoidali e uno prismatico! Discrete caratteristiche di rigidezza meccanica! La precisione di posizionamento del polso si riduce al crescere dello sbraccio radiale! Operazioni di lavorazione! Azionamenti elettrici

14 Manipolatore SCARA Introduzione alla Robotica 14/43! Due giunti rotoidali e uno prismatico! Elevata rigidezza a carichi verticali e cedevolezza a carichi orizzontali! Selective Compliance Assembly Robot Arm! La precisione di posizionamento del polso si riduce al crescere della distanza del polso stesso dall asse del primo giunto! Manipolazione di piccoli oggetti! Azionamenti elettrici

15 Manipolatore antropomorfo Introduzione alla Robotica 15/43! Tre giunti rotoidali! Struttura più destra! Precisione di posizionamento variabile! Applicazioni molteplici! Azionamenti elettrici

16 Manipolatore parallelo Introduzione alla Robotica 16/43! Più catene cinematiche che connettono la base all organo terminale! Elevata rigidezza! Velocità operative molto elevate! Spazio di lavoro ristretto

17 ! Struttura portante parallela! Cinematica seriale! Generazione di forze elevate lungo le componenti verticali Manipolatore ibrido parallelo seriale Introduzione alla Robotica 17/43

18 Polso e organo terminale Introduzione alla Robotica 18/43! Polso sferico! Giunti rotoidali che determinano l orientamento dell organo terminale! 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)

19 Robot mobili! La struttura meccanica di un robot mobile consiste in un insieme di corpi rigidi dotati di un sistema di locomozione! Robot mobili su ruote! Base (chassis)! Ruote che lo movimentano rispetto al suolo! Eventuali rimorchi (su ruote)! Robot mobili su gambe! Arti! Piede periodicamente in contatto con il suolo (locomozione)! Progetto ispirato a organismi viventi (robotica biomimetica) Introduzione alla Robotica 19/43! Lo spazio di lavoro di un robot mobile è potenzialmente illimitato! La mobilità locale di un robot mobile non omnidirezionale è sempre ristretta! Il numero dei gradi di libertà del robot (numero dei moti istantanei ammissibili) è inferiore al numero delle variabili di configurazione dello stesso

20 Manipolatore mobile Introduzione alla Robotica 20/43! Montaggio di un manipolatore su una base mobile! Destrezza del braccio articolato! Mobilità illimitata della base! Progetto complesso! Bilanciamento statico e dinamico! Azionamento dei due sistemi

21 Robotica industriale Introduzione alla Robotica 21/43! La robotica industriale è la disciplina che si interessa della progettazione, del governo e delle applicazioni dei robot in ambito industriale! I suoi prodotti hanno raggiunto lo stato di una tecnologia matura! Robot industriali operano in un ambiente strutturato! Primi robot industriali sviluppati alla confluenza di due tecnologie! Macchine utensili a controllo numerico per la lavorazione automatica di precisione! Teleoperatori per la manipolazione a distanza di materiali radioattivi! Caratteristiche! versatilità di impiego, grazie all'impiego di utensili di natura diversa come organo terminale del manipolatore! adattabilità a situazioni non note a priori, grazie all'utilizzo di sensori! precisione di posizionamento, grazie all'adozione di tecniche di controllo in retroazione! ripetibilità di esecuzione, grazie alla programmabilità delle varie operazioni

22 Automazione Introduzione alla Robotica 22/43! L automazione è una 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)

23 ! Macchina con elevate caratteristiche di versatilità e flessibilità Robot industriale! Un robot è una struttura meccanica multifunzionale e riprogrammabile progettato per spostare materiali, parti, utensili o dispositivi specializzati secondo movimenti variabili programmati per l esecuzione di una varietà di compiti diversi (Robot Institute of America, 1980)! Componente tipico di sistemi di automazione programmabile Introduzione alla Robotica 23/43

24 Installazioni di robot industriali Introduzione alla Robotica 24/ Unità Rapporto IFR ! Al 2006 risultano operativi nel mondo quasi un milione di robot industriali! Metà in Asia! Un terzo in Europa! unità in Italia: secondo posto dopo Germania, quarto nel mondo! 16% in Nord America! unità entro la fine del 2010

25 Alcuni dati sui robot industriali Introduzione alla Robotica 25/43! Vita media di un robot industriale! 12 anni potrebbe arrivare a 15 anni! Densità di robot per numero di operai! 349 robot ogni operai in Giappone! 187 in Corea! 186 in Germania! 123 in Italia! 99 negli Stati Uniti! Costo medio di un robot a sei assi! Da a a seconda delle dimensioni e delle applicazioni

26 Industrie di riferimento Introduzione alla Robotica 26/43 Parti automobilistiche Veicoli a motore Chimica, gomma e plastica Elettrica ed elettronica Lavorazione metallo Macchinari (industriali e consumo) Alimentare Comunicazioni Precisione e ottica

27 Capacità di impiego Introduzione alla Robotica 27/43! 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 AGV

28 Capacità di impiego Introduzione alla Robotica 28/43! Misura! Collaudo dimensionale! Rilevamento di profili! Individuazione di difetti di fabbricazione! Manipolazione (lavorazione/assemblaggio)! Saldatura ad arco e a punti! Verniciatura a spruzzo! Fresatura e trapanatura! Incollaggio! Taglio laser e a getto d acqua! Finitura! Assemblaggio di gruppi meccanici ed elettrici! Montaggio di schede elettroniche! Avvitatura! Cablaggio

29 Impiego di robot industriali Introduzione alla Robotica 29/43 Palettizzazione, carico e scarico Saldatura Assemblaggio Smistamento Processo Altre

30 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 30/43! Robot AdeptOne XL! Struttura SCARA! Motori ad accoppiamento diretto! Sbraccio di 800 mm! Ripetibilità di mm in direzione orizzontale e mm in quella verticale! Velocità max! 1200 mm/s per il giunto prismatico! Da 650 a 3330 /s per i tre giunti rotoidali! Portata di 12 kg! Gamma di applicazioni! Trasporto di piccole parti! Assemblaggio! Confezionamento

31 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica Robot COMAU Smart NS Struttura antropomorfa a sei giunti con polso sferico Sbraccio orizzontale da 1650 a 1850 mm Ripetibilità di 0.05 mm Velocità max Da 143 a 170 /s per i primi tre giunti Da 350 a 430 /s per gli ultimi tre giunti Portata da 12 a 16 kg Montaggio a pavimento o a soffitto Gamma di applicazioni Saldatura ad arco Trasporto di materiali leggeri Assemblaggio Processi tecnologici 31/43

32 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 32/43! Robot ABB IRB4400! Struttura antropomorfa a sei giunti con catena chiusa a parallelogramma! Sbraccio da 1960 a 2430 mm! Ripetibilità da 0.07 a 0.1 mm! Velocità max all organo terminale di 2200 mm/s! Portata di 60 kg! Montaggio a pavimento o a parete! Gamma di applicazioni! Trasporto di materiali! Carico e scarico di macchine! Molatura! Incollaggio! Pressatura! Stampaggio! Assemblaggio

33 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 33/43! Robot KUKA KR 60 Jet! Struttura a cinque assi, montato su slitta con installazione a portale! Corsa dell unità lineare da 400 mm a 20 m! Velocità max di 3200 mm/s! Sbraccio del robot di 820 mm! Ripetibilità di 0.15 mm! Velocità max! Da 120 a 166 /s per i primi due giunti! Da 260 a 322 /s per gli ultimi tre giunti! Gamma di applicazioni! Carico e scarico di macchine! Finitura! Rivestimento! Sigillatura! Taglio

34 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica Robot ABB IRB340 FlexPicker Geometria parallela a quattro assi Peso ridotto e montaggio dall alto Valori record di velocità di 10 m/s e accelerazione di 100 m/s2 Ripetibilità di 0.1 mm Carico di 1 kg Versione pulita in alluminio industria alimentare industria farmaceutica 34/43

35 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 35/43! Robot Fanuc M-16iB! Struttura antropomorfa a sei giunti con polso sferico! Sbraccio orizzontale da 1667 a 1885 mm! Ripetibilità di 0.1 mm! Velocità max! da 165 a 175 /s per i primi tre giunti! da 340 a 430 /s per gli ultimi tre giunti! Portata da 10 a 20 kg! Sensori integrati nell unita di governo! Sistema di guida basato su visione 3D! Sensore di forza a sei assi! Gamma di applicazioni! Trasporto di oggetti arbitrariamente posizionati! Finitura! Incollaggio! Taglio a getto d acqua

36 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 36/43! Robot KUKA Lightweight! Struttura a sette assi, presentato nel 2006 come il risultato di un trasferimento tecnologico da DLR! Adozione di materiali in lega leggera e sensori di coppia ai giunti! Sbraccio orizzontale di 868 mm! Velocità ai giunti da 110 a 210 /s! Carico da 7 a 14 kg, a fronte di un peso di soli 15 kg (!)! Ridondanza cinematica! Sicurezza intrinseca nel caso di contatto con esseri umani

37 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 37/43! Mano BarrettHand! Un dito fisso e due dita mobili intorno alla base del palmo! Manipolazione di oggetti di dimensione, forma e orientamento diversi! Mano antropomorfa SAH! Risultato di un trasferimento tecnologico da DLR e Harbin Institute of Technology (Cina)! Tre dita indipendenti allineate e un dito opponibile, analogo al pollice umano! Giunti delle dita dotati di sensori angolari a effetto magnetico e sensori di coppia! Buona destrezza vicina alla mano umana

38 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 38/43! Manipolatore umanoide Justin! Torso a tre giunti assimilabile a struttura antropomorfa! Due braccia a sette assi (tecnologia LWR)! Testa sensorizzata! Compiti di manipolazione bimanuale

39 Robotica avanzata Introduzione alla Robotica 39/43! La robotica avanzata è la scienza che studia robot con spiccate caratteristiche di autonomia che operano in ambienti non strutturati o scarsamente strutturati, le cui caratteristiche geometriche o fisiche non siano completamente note a priori! Ancora in età giovane: tecnologia non ancora matura, prevalentemente prototipi! Robot per l esplorazione! Necessità di ricorrere ad automi per indisponibilità dell operatore umano! Motivi di sicurezza in ambienti ostili! Robot di servizio! Prodotti con mercati potenziali di ampie dimensioni che puntano a migliorare la qualità della vita

40 Robot per applicazioni non industriali Introduzione alla Robotica 40/ Sino al 2006 Nuove installazioni Unità Sottomarine Difesa, soccorso, sicurezza Ambienti ostili Mediche Altre Pulizia Piattaforme mobili Logistica

41 ! Interventi in zone contaminate da gas velenosi o sostanze radioattive! Interventi in scenari causati da disastri (attentati, crolli, terremoti)! Esplorazione di un vulcano! Esplorazione sottomarina! Esplorazione spaziale! Pattugliamento aereo Alcuni robot per l esplorazione Introduzione alla Robotica 41/43

42 Alcuni robot di servizio Introduzione alla Robotica 42/43! Mobilità dei cittadini (ITS)! Sedie a rotelle autonome! Domotica! Robot per la chirurgia laparoscopica! Robot per diagnostica e chirurgia endoscopica! Robot per la riabilitazione! Robot umanoidi! Robot zoomorfi

43 Verso il futuro Introduzione alla Robotica 43/43! Scenario a venire! Robot che scompaiono! La tecnologia robotica diviene ubiqua, distribuita e/o integrata in ambienti intelligenti proprio come i computer che stanno diventando sempre più pervasivi Sogno o realtà?