Introduzione al Corso

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1 Anno accademico 2005/2006 Prof. Giovanni Muscato Introduzione al Corso Dipartimento di Ingegneria Elettrica Elettronica e dei Sistemi Università degli Studi di Catania Viale A. Doria 6, 95125, Catania, Italy gmuscato@diees.unict.it Page 1

2 Controllo Intelligente Definizione di Controllo Intelligente Tecniche di controllo che utilizzano metodologie Soft Computing quali Reti neurali, Fuzzy Logic, Algoritmi genetici, ecc. 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. La robotica è stata recentemente definita come la scienza che studia la connessione intelligente tra percezione e azione Page 2

3 Percezione - Azione La capacità di agire, sull'ambiente è offerta da un sistema meccanico dotato in generale di organi di locomozione per muoversi e di organi di manipolazione che intervengono sugli oggetti presenti. La capacità di percezione è affidata ad un sistema sensoriale in grado di acquisire informazioni, sullo stato interno (sensori propriocettivi) e sullo stato esterno (sensori eterocettivi). La capacità di connettere, in maniera intelligente, azioni e percezioni è affidata ad un sistema di governo (elaboratore) che sia in grado di comandare l'azione nel rispetto dei vincoli imposti dal sistema meccanico (fine corsa dei giunti) e dell'ambiente (ostacoli). Con il termine robotica avanzata si fa riferimento alla scienza che studia robot con spiccate caratteristiche di autonomia, le cui applicazioni sono concepite per risolvere problemi di operatività in ambienti ostili (spazio, sottomarino, nucleare, militare,...) o per eseguire missioni di servizio (applicazioni domestiche, assistenza medica, assistenza ai disabili, agricoltura,...). Introduzione Introduzione al corso. Robotica. Classificazione. Esempi. Cinematica. Dinamica. Traiettorie. Controllo Robotica mobile. Configurazioni. Localizzazione, Pianificazione del percorso, Aggiramento di ostacoli, Navigazione. Sensori e attuatori per robot. Sistemi di visione per la robotica. Percezione, Preelaborazione, Segmentazione, Descrizione, Riconoscimento, Interpretazione. Applicazioni di robot. Page 3

4 Introduzione Controllo Intelligente. Logica Fuzzy. Controllo Fuzzy. Reti Neurali. Il perceptrone multistrato, Apprendimento, Radial Basis Function. Identificazione di sistemi dinamici mediante reti neurali e sistemi Fuzzy. Algoritmi genetici. Controllori intelligenti. Ottimizzazione di controllori intelligenti. Laboratorio. Il MATLAB. Robotic Toolbox. Fuzzy Toolbox. Neural Network Toolbox. Genetic toolbox. Il Simulink. Simulazione in Simulink di sistemi dinamici e identificazione mediante reti neurali. Simulazione di sistemi di controllo Fuzzy. Programmazione di microcontrollori. Controllo di sistemi robotici mediante microcontrollori. 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 d'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. Page 4

5 Manipolatore industriale Struttura dei manipolatori Catena cinematica aperta o chiusa Da un punto di vista topologico, 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. 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. Page 5

6 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. Nel caso più generale di un compito, che consiste nel posizionamento e nell'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. Classificazione dei manipolatori Geometria cartesiana Geometria cilindrica Geometria sferica Geometria SCARA Geometria antropomorfa Page 6

7 Geometria Cartesiana Geometria Cartesiana Page 7

8 Geometria cilindrica Geometria sferica Page 8

9 Geometria SCARA Selective Compliance Assembly Robot Arm Geometria SCARA Selective Compliance Assembly Robot Arm Page 9

10 Geometria Antropomorfa Geometria Antropomorfa Page 10

11 Geometria Antropomorfa Polso sferico Page 11

12 Applicazioni dei Robot Industriali Saldatura (a punti e ad arco) Verniciatura spray Molatura (Rettifica, Smerigliatura,...) Trasferimento di materiali Assemblaggio di parti Ordinamento di materiali Ispezione di materiali 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 Page 12

13 Applicazioni dei Robot Industriali MANIPOLAZIONE saldatura ad arco e a punti verniciatura a spruzzo fresatura e trapanatura incollaggio taglio laser ed a getto d acqua finitura assemblaggio di gruppi meccanici ed elettrici montaggio di schede elettroniche avvitatura cablaggio Applicazioni dei Robot Industriali MISURA collaudo dimensionale rivelamento di profili individuazione di difetti di fabbricazione Page 13

14 Mercato della Robotica Mercato della Robotica Page 14

15 Mercato della Robotica Mercato della Robotica Page 15

16 Mercato della Robotica Mercato della Robotica Page 16

17 Mercato della Robotica 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 Page 17

18 Le tre leggi della Robotica 1. Un robot non può fare del male a un essere umano ne consentire, restando inoperoso, che un essere umano si trovi in pericolo. 2. Un robot deve obbedire agli ordini impartiti da esseri umani, a meno che tali ordini non contrastino con la prima legge. 3. Un robot deve proteggere la sua esistenza a meno che tale protezione non vada contro la prima e la seconda legge. Page 18