Fondamenti di robotica

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1 Fondamenti di robotica Introduzione al corso Prof. Gianantonio Magnani

2 Robotica avanzata e industriale Robotica studia le macchine che possano sostituire l uomo nell esecuzione di un compito, sia in termini di attività fisica che decisionale. studia la connessione intelligente tra percezione e azione Si distingue tra: Robotica avanzata applicazioni in ambiente ostile (spaziale, sottomarino, nucleare, militare ) servizio (applicazioni domestiche, assistenza medica, robotica per protesi mediche, intrattenimento, agricoltura, education, ) tecnologia non ancore matura Robotica industriale applicazioni dei robot in ambito industriale tecnologia matura e affidabile Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [2]

3 Il robot industriale Il robot è un manipolatore multifunzionale riprogrammabile, progettato per muovere materiali, parti, attrezzi o dispositivi specialistici attraverso movimenti programmati variabili, per l esecuzione di una varietà di compiti (Robot Institute of America, 1980) Componente di qualità dei sistemi di produzione automatizzati (soft automation vs. hard automation) Comunanze nelle funzioni di controllo, nel software e nel hardware con diversi altri componenti dei sistemi di produzione COMAU SpA Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [3]

4 Il robot industriale Il robot si compone di: Struttura meccanica: catena meccanica, attuatori e sensori Unità di governo COMAU SpA COMAU SpA Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [4]

5 Il sistema meccanico La catena meccanica è costituito da una serie di corpi rigidi (link) connessi da giunti Un estremità della catena (primo link) è costituita dalla BASE, di norma fissata terra. All ultimo link (flangia terminale) si collega l END EFFECTOR (pinza, strumento di lavoro) o organo terminale Ogni giunto è un grado di libertà del robot Nella catena meccanica si individua una struttura portante che garantisce il posizionamento ed un POLSO che fornisce i gradi di libertà di orientamento dell EE Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [5]

6 La catena meccanica 7 gradi di libertà o mobilità (7 dof) braccio giunto Terminologia essenziale link polso flangia link spalla base giunto di rotazione Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [6]

7 Strutture portanti Manipolatore cartesiano Tre giunti prismatici Ad ogni grado di libertà ai giunti corrisponde un grado di libertà cartesiano Molto rigido meccanicamente Manipolatore a portale Per la manipolazione di oggetti di peso rilevante I disegni sono tratti dal testo: L.Sciavicco, B.Siciliano Robotica industriale Modellistica e controllo di robot manipolatori (2a ed.) Mc Graw-Hill, 2000 Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [7]

8 Strutture portanti Manipolatore cilindrico Un giunto rotoidale e due prismatici Coordinate cilindriche Buona rigidezza meccanica Manipolatore sferico Due giunti rotoidali ed uno prismatico Coordinate sferiche Discreta rigidezza meccanica I disegni sono tratti dal testo: L.Sciavicco, B.Siciliano Robotica industriale Modellistica e controllo di robot manipolatori (2a ed.) Mc Graw-Hill, 2000 Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [8]

9 Strutture portanti Manipolatore SCARA Due giunti rotoidali e uno prismatico Rigido a carichi verticali e cedevole a carichi orizzontali Selective Compliance Assembly Robot Arm Manipolatore antropomorfo Tre giunti rotoidali Struttura destra Rigidezza meccanica variabile con la configurazione I disegni sono tratti dal testo: L.Sciavicco, B.Siciliano Robotica industriale Modellistica e controllo di robot manipolatori (2a ed.) Mc Graw-Hill, 2000 Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [9]

10 Polso sferico 3 gradi di libertà di rotazione Assi di rotazione che si intersecano in un solo punto flangia utensile pinza Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [10]

11 Esempi di robot industriali AdeptOne XL Struttura SCARA Quattro giunti Portata 12 Kg Ripetibilità: mm COMAU SMART S2 Struttura antropomorfa Sei giunti Portata 16 Kg Ripetibilità: 0.1 mm Gli esempi sono tratti dal testo: L.Sciavicco, B.Siciliano Robotica industriale Modellistica e controllo di robot manipolatori (2a ed.) Mc Graw-Hill, 2000 Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [11]

12 Esempi di robot industriali ABB IRB 4400 Struttura antropomorfa con parallelogramma Sei giunti Portata 60 Kg Ripetibilità: mm Unità lineare Kuka KL 250 con robot KR 15/2 Struttura antropomorfa montata su slitta con installazione a portale Sei giunti + giunto lineare Portata 25 Kg Ripetibilità: 0.1 mm Gli esempi sono tratti dal testo: L.Sciavicco, B.Siciliano Robotica industriale Modellistica e controllo di robot manipolatori (2a ed.) Mc Graw-Hill, 2000 Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [12]

13 Esempi di robot industriali Robotics Research K-1207i Struttura antropomorfa Sette giunti Giunto addizionale rotoidale: aumenta destrezza e consente di ripiegare FANUC I-21i Struttura antropomorfa Sei giunti Sensore di forza Sistema di visione 3D Gli esempi sono tratti dal testo: L.Sciavicco, B.Siciliano Robotica industriale Modellistica e controllo di robot manipolatori (2a ed.) Mc Graw-Hill, 2000 Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [13]

14 Componenti dei robot industriali Integrati nella o applicati alla catena meccanica attuatori (motori elettrici, riduttori) sensori propriocettivi (di posizione dei motori e raramente dei link) sensori eterocettivi (di visione, forza, prossimità, distanza) organo terminale (end-effectortor) - es. pinze di presa e di saldatura a punti, saldatore ad arco, pistole di verniciatura, spalmatori, ecc Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [14]

15 Applicazioni tipiche (COMAU SpA) File comau Assemblaggio Saldatura a Punti Saldatura ad arco Carico Scarico Macchine Automazione Linee Interpresse Movimentazione Sigillatura - Siliconatura Lavorazione Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [15]

16 Il sistema di controllo E un sistema elettronico - informatico complesso e sofisticato. Funzioni principali: Interfaccia con l operatore (MMI) Programmazione dei compiti Pianificazione delle traiettorie Controllo in tempo reale del moto dei giunti Immagazzinamento dati Gestione dell interazione con altre macchine Diagnostiche, gestione malfunzionamenti Hardware Unità di elaborazione e controllo (multi-microprocessore) Elettronica di potenza Dispositivo d interfaccia uomo macchina e programmazione (teach pendant) Interfacce di I/O e comunicazione Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [16]

17 Programmazione I compiti dei robot si programmano con linguaggi simili a quelli usati per i computer Possono essere fornite interfacce specifiche per applicazioni frequenti (es. saldatura, verniciatura) Ambiente di programmazione integrata (teaching-by-doing con comando manuale) Sistemi di coordinate giunto terna base (cartesiane) utensile (tool) (cartesiane) Tipi di movimenti punto a punto nei giunti punto a punto nello spazio operativo secondo traiettorie lineari, circolari o interpolate Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [17]

18 Esempio di programma Programmazione PROGRAM pezzo VAR riposo, trasp, tavola, scarto : POSITION BEGIN CYCLE MOVE TO riposo OPEN HAND 1 WAIT FOR $DIN(1) = ON % trasportatore pronto MOVE TO trasp CLOSE HAND 1 Il robot prende un pezzo dal nastro trasportatore e lo trasferisce o su una tavola o nel contenitore di scarto a seconda di $DIN(2) IF $DIN(2) = OFF THEN % se il pezzo è buono MOVE TO tavola ELSE MOVE TO scarico ENDIF OPEN HAND % depone il pezzo su tavola o in cont. scarti END pezzo Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [18]

19 Argomenti del corso Il corso è orientato al controllo dei robot industriali Gli argomenti corrispondono alle principali funzioni di controllo Cinematica (diretta ed inversa) Cinematica differenziale e statica Pianificazione di traiettorie Dinamica (casi semplici + laboratorio informatizzato / simulazione) Controllo livello servo (controllo del moto dei singoli giunti) (laboratorio informatizzato / simulazione, progetto completo di un servomeccanismo) controllo multivariabile e con sensori eterocettivi (cenni) Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [19]

20 Cinematica Studio analitico del moto della catena (dell'organo terminale) indipendentemente dalle forze / coppie che lo determinano. Legame tra le variabili di giunto e posizione e orientamento dell'end-effector q [ q q... q ] = 1 2 n cinematica diretta <=============> cinematica inversa P = P( x, y, z, α, β, γ ) Inversione cinematica elemento centrale di un controllore presenta diverse problematiche (soluzione non unica, punti singolari) Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [20]

21 Cinematica diretta: esempio y q 1 q 2 x x y = l = l 1 1 cos sin ( q ) + l cos( q + q ) 1 ( q ) + l sin( q + q ) Per manipolatori a più gradi di libertà occorrono procedimenti sistematici per ricavare le equazioni della cinematica diretta. Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [21]

22 Cinematica differenziale Studia il legame tra le velocità dei giunti e la velocità dell organo terminale [ q & q& q& ] q&... = 1 2 n cinematica differenziale <=============> p, & ω q& 1 p& Il legame è espresso da una matrice, detta Jacobiano del manipolatore Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [22]

23 Statica Esprime il legame tra un vettore di forze F applicate all end effector e il corrispondente vettore di coppie generalizzate τ che tiene in equilibrio il sistema. F Fx Fy Fz τx F a y τ [ τ τ ] = y z [ τ τ τ ] n τ = τ n q 2 τ τ 1 2 = = ( l1 sin( q1 ) + l2 sin( q1 + q2 )) l2 sin( q1 + q2 ) F a F a q 1 x Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [23]

24 Dinamica Legame analitico tra le forze / coppie applicate ai giunti (della catena) e il moto della catena. dinamica diretta τ(t) <=============> q(t) dinamica inversa τ [ τ τ τ ] n τ = τ n coppie generalizzate dinamica diretta: interesse per simulazione dinamica inversa: interesse per controllo La derivazione del modello dinamico è operazione molto complessa (tecniche automatiche e/o elaborazione simbolica) Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [24]

25 Pianificazione della traiettoria Obiettivo: calcolare i movimenti (leggi di moto) dei giunti (q(t)) affinché l organo terminale segua traiettorie desiderate nello spazio di lavoro il robot si muova in modo regolare smooth Generare (calcolare): leggi di moto compatibili con i limiti di velocità e accelerazione dei motori, di durata minima o compatibile con le esigenze operative traiettorie rettilinee, circolari, interpolanti... Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [25]

26 Architettura di controllo del movimento Controllo del movimento Si adotta un architettura costituita da tre moduli: Generazione della traiettoria x d Inversione cinematica q d Controllo d'asse τ q Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [26]

27 Controllo indipendente dei giunti Il controllo d asse nei controllori robotici industriali tipicamente prevede che ciascuna coordinata di giunto venga controllata indipendentemente (servomeccanismo di posizione) q d1 R 1 q d2 τ 1 q 1 R 2 τ 2 q 2 q dn R n τ n q n I singoli problemi di controllo sono assimilabili a quelli del controllo di servomeccanismi, il che giustifica l approfondimento che sarà fatto su questo argomento. Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [27]

28 Controllo indipendente dei giunti I servomeccanismo di posizione si trovano in una varietà di macchine per produrre: macchine utensili (frese, torni, rettifiche, taglio laser, produzione stampi, piegatura e foratura lamiere, ecc) macchine lavorazione legno, pietre, alluminio macchine tessili, per imballaggio, stampa macchine di movimentazione (transfer) e sono realizzati con la stessa componentistica di quelli robotici Comunanze anche con sistemi avionici e di difesa, informatici, consumer, automobilistici, ferroviari, ecc Ampia tematica motion control Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [28]

29 Similitudine con le macchine utensili Macchine utensili a 5 assi Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [29]

30 I testi Testo di riferimento Testo per la parte di controllo del moto (in alternativa) Introduzione SS Cap.1 (leggere) Cinematica SS Cap. 2 esclusi 2.6, 2.8.3, 2.9.2, 2.11 Sito web con materiale aggiuntivo: di robotica Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [30]

31 Aspetti organizzativi Calendario e argomenti da fare / non fare sulla pagina web Laboratori in aula informatizzata Uso del robot Comau Smart 3S in laboratorio (a richiesta, salvo verifica per motivi di sicurezza) Modalità d esame Esame scritto con domande ed esercizi (vietato l utilizzo di dispositivi elettronici, incluse calcolatrici) A richiesta: un prova intermedia non obbligatoria sulla prima parte del corso. Chi fa la prova intermedia al primo appello fa l esame solo sulla seconda parte Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [31]

32 LINK (link utili - associazioni del mondo della strumentazione e del controllo titoli di riviste del settore) (informazioni su prodotti) (link utili - associazioni dei costruttori di macchine) Anipla Siri Società (associazione) italiana robotica Altre riviste del settore Siti di costruttori: comau, fanucrobotics, abbrobotics, kuka, reis, staubli pagina (seguire SIMECS) Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [32]