Studio di macchine che possano sostituire l'uomo nell'esecuzione di un compito, sia in termini di attività fisica che decisionale Radici culturali

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1 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

2 Robotica: connessione intelligente tra percezione e azione CONTROLLO ATTUATORI SENSORI

3 Sistema meccanico Organi di locomozione (ruote, cingoli, gambe meccaniche) 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

4 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)

5 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)

6 Manipolazione di oggetti di dimensione e peso rilevanti

7 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)

8 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

9 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

10 Tre giunti rotoidali Struttura più destra Precisione di posizionamento variabile Applicazioni molteplici Azionamenti elettrici

11 Più catene cinematiche che connettono la base all organo terminale Elevata rigidezza Velocità operative molto elevate Spazio di lavoro ristretto

12 Struttura portante parallela Cinematica seriale Generazione di forze elevate lungo le componenti verticali

13 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)

14 Lo spazio di lavoro di un robot mobile è potenzialmente illimitato La mobilità locale di un robot mobile non omnidirezionale è sempre ristretta Un triciclo non può muoversi istantaneamente in direzione normale all asse delle ruote posteriori Al termine del movimento, il triciclo può essere manovrato in modo da ottenere uno spostamento complessivo in tale direzione Il numero dei gradi di libertà del robot (numero dei moti istantanei ammissibili) è inferiore al numero delle variabili di configurazione dello stesso

15 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

16 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

17 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)

18 Macchina con elevate caratteristiche di versatilità e flessibilità 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

19 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

20 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

21 Parti automobilistiche Veicoli a motore Chimica, gomma e plastica Elettrica ed elettronica Lavorazione metallo Macchinari (industriali e consumo) Alimentare Comunicazioni Precisione e ottica

22 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

23 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

24 Palettizzazione, carico e scarico Saldatura Assemblaggio Smistamento Processo Altre

25 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

26 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 155 a 170 /s per i primi tre giunti Da 350 a 550 /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

27 Robot ABB IRB4400 Struttura antropomorfa a sei giunti con catena chiusa a parallelogramma Sbraccio da 1960 a 2550 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

28 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

29 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/s 2 Ripetibilità di 0.1 mm Carico di 1 kg Versione pulita in alluminio industria alimentare industria farmaceutica

30 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 520 /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

31 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

32 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

33 Manipolatore umanoide Justin Torso a tre giunti assimilabile a struttura antropomorfa Due braccia a sette assi (tecnologia LWR) Testa sensorizzata Compiti di manipolazione bimanuale

34 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

35 Sino al 2006 Nuove installazioni Unità Sottomarine Difesa, soccorso, sicurezza Ambienti ostili Mediche Altre Pulizia Piattaforme mobili Logistica

36 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

37 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

38 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? Tema di Ubiquitous Robotics

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40 Modellistica Cinematica (Cap. 2) Cinematica differenziale (Cap. 3) Dinamica (Cap. 7) Robot mobili (Cap. 11) Pianificazione Pianificazione di traiettorie (Cap. 4) Controllo Attuatori e sensori (Cap. 5) Unità di governo (Cap. 6) Controllo del moto (Cap. 8) Controllo di forza (Cap. 9) Controllo visuale (Cap. 10) Algebra lineare (App. A) Meccanica dei corpi rigidi (App. B) Geometria differenziale (App. D) Controllo in retroazione (App. C)