Introduzione alla Robotica

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1 Introduzione alla Robotica Prof. Bruno SICILIANO

2 L era dei robot Introduzione alla Robotica 2/60

3 Robot Introduzione alla Robotica 3/60 Robot (robota = lavoro esecutivo) Una delle grandi aspirazioni dell'uomo è stata quella di infondere la vita nei suoi artefatti (mitologia) L immaginario collettivo è portato a vedere nel robot un androide che parla e cammina, vede e sente, con gesti e reazioni di tipo umano (fantascienza) Il robot è definito come una qualsiasi macchina in grado di svolgere dei compiti in maniera automatizzata per sostituire o migliorare il lavoro umano (realtà)

4 Un precursore Introduzione alla Robotica 4/60 La metafora di Tempi Moderni

5 Evoluzione Introduzione alla Robotica 5/60 SOGNO dell Uomo di replicare sé stesso BISOGNO di macchine utili Robotica industriale 1920 Robotica per l esplorazione Applicazioni manifatturiere Applicazioni spaziali Robotica di servizio Robotica umanoide Applicazioni mediche Robotica personale?

6 Un viaggio lungo 50 anni Introduzione alla Robotica 6/60

7 Robotica: connessione intelligente tra percezione e azione Definizione Introduzione alla Robotica 7/60 CONTROLLO ATTUATORI SENSORI dati visuali comandi motori governo braccio/mano dati aptici

8 Componenti di un robot Introduzione alla Robotica 8/60 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

9 Robot manipolatori Introduzione alla Robotica 9/60 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)

10 Manipolatore cartesiano Introduzione alla Robotica 10/60 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 11/60

12 Manipolatore cilindrico Introduzione alla Robotica 12/60 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 13/60 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 14/60 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 15/60 Tre giunti rotoidali Struttura più destra Precisione di posizionamento variabile Applicazioni molteplici Azionamenti elettrici

16 Manipolatore parallelo Introduzione alla Robotica 16/60 Più catene cinematiche che connettono la base all organo terminale Elevata rigidezza Velocità operative molto elevate Spazio di lavoro ristretto

17 Manipolatore ibrido parallelo seriale Introduzione alla Robotica 17/60 Struttura portante parallela Cinematica seriale Generazione di forze elevate lungo le componenti verticali

18 Polso e organo terminale Introduzione alla Robotica 18/60 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 Introduzione alla Robotica 19/60 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)

20 Ruote convenzionali Introduzione alla Robotica 20/60 Ruota fissa Può ruotare intorno a un asse passante per il centro della ruota e normale al piano che la contiene Orientamento costante rispetto allo chassis (solidale) Ruota orientabile Primo asse di rotazione come ruota fissa Secondo asse verticale passante per il centro della ruota Orientamento variabile rispetto allo chassis Ruota eccentrica (caster) Asse verticale eccentrico rispetto alla ruota (offset) Allineamento automatico e rapido nella direzione di spinta dello chassis Punto di appoggio per il bilanciamento statico (senza influenzare la mobilità dello chassis)

21 Veicolo a trazione differenziale Introduzione alla Robotica 21/60 Due ruote fisse con lo stesso asse di rotazione Controllate separatamente Una ruota eccentrica (dimensione ridotte) Passiva Può ruotare sul posto (senza muovere il centro delle ruote) se le velocità angolari delle due ruote sono uguali e contrarie

22 Veicolo a trazione sincronizzata Introduzione alla Robotica 22/60 Tre ruote orientabili allineate Comandate in modo solidale da due soli motori attraverso un accoppiamento meccanico (catena, cinghia di trasmissione) Il primo motore controlla la rotazione delle ruote intorno all asse orizzontale (trazione del veicolo) Il secondo motore controlla la rotazione delle ruote intorno all asse verticale (orientamento del veicolo)

23 Triciclo Introduzione alla Robotica 23/60 Due ruote fisse sull asse posteriore Comandate da un unico motore (trazione del veicolo) Ruota orientabile Comandata da motore (sterzo del veicolo) In alternativa Ruote posteriori passive Ruota anteriore (sterzo + trazione)

24 Automobile Introduzione alla Robotica 24/60 Due ruote fisse sull asse posteriore Due ruote orientabili sull asse anteriore Un motore fornisce la trazione (anteriore o posteriore) Un motore varia l orientamento Ruote anteriori con orientamento diverso tra di loro Ruota interna più sterzata rispetto a quella esterna (sterzo di Ackermann)

25 Veicolo omnidirezionale Introduzione alla Robotica 25/60 Tre ruote eccentriche in posizione simmetrica Velocità di trazione comandate indipendentemente Può muoversi istantaneamente in qualsiasi direzione, nonché riorientarsi sul posto

26 Ruota Mecanum Introduzione alla Robotica 26/60 Ruota fissa sulla cui circonferenza esterna sono aggiunti rulli passivi il cui asse di rotazione è inclinato (in genere 45 ) rispetto al piano della ruota Un veicolo dotato di quattro ruote Mecanum montate a coppie su due assi paralleli è anch esso omnidirezionale

27 Bilanciamento Introduzione alla Robotica 27/60 Un robot con tre ruote è in equilibrio statico se il suo baricentro cade all interno del triangolo di supporto definito dai punti di contatto delle ruote con il suolo I robot con più di tre ruote hanno un poligono di supporto (più semplice garantire il bilanciamento) In caso di superficie non perfettamente planare, è necessario dotare il veicolo di un sistema di sospensioni per mantenere il contatto di tutte le ruote

28 Spazio di lavoro Introduzione alla Robotica 28/60 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

29 Manipolatore mobile Introduzione alla Robotica 29/60 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

30 Robotica industriale Introduzione alla Robotica 30/60 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 utilizzo, 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

31 Automazione Introduzione alla Robotica 31/60 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)

32 Robot industriale Introduzione alla Robotica 32/60 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

33 Capacità di impiego Introduzione alla Robotica 33/60 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

34 Capacità di impiego Introduzione alla Robotica 34/60 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

35 Impiego di robot industriali Introduzione alla Robotica 35/60 Fonte 12/2013: World Robotics milioni di robot industriali in funzione nel mondo L anno di maggiore successo per i robot industriali dal 1961 Mercato totale: 9.5 miliardi $ (+12%) Mercato stimato: 29 miliardi $ Mercati più grandi: Giappone, Cina, USA, Corea, Germania (70%)

36 Alcuni dati sui robot industriali Introduzione alla Robotica 36/60 Vita media di un robot industriale 12 anni potrebbe arrivare a 15 anni Densità di robot per numero di operai 347 robot ogni operai in Corea 339 in Giappone 261 in Germania 149 in Italia Costo medio di un robot a sei assi Da a a seconda delle dimensioni e delle applicazioni

37 Applicazioni industriali Introduzione alla Robotica 37/60

38 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 38/60 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

39 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 39/60 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

40 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 40/60 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

41 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 41/60 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

42 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 42/60 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

43 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 43/60 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

44 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 44/60 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

45 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 45/60 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

46 Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 46/60 Manipolatore umanoide Justin Torso a tre giunti assimilabile a struttura antropomorfa Due braccia a sette assi (tecnologia LWR) Testa sensorizzata Compiti di manipolazione bimanuale

47 Le prospettive di mercato Introduzione alla Robotica 47/60

48 Robotica avanzata Introduzione alla Robotica 48/60 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

49 Robot per applicazioni non industriali Introduzione alla Robotica 49/60 Robot di servizio professionale Applicazioni militari e in campo ostile nuove installazioni nel 2013 Robot di servizio a uso personale/domestico (+20%) robot per applicazioni domestiche robot per l intrattenimento

50 Alcuni robot per l esplorazione Introduzione alla Robotica 50/60 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

51 Alcuni robot di servizio Introduzione alla Robotica 51/60 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

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53 Verso il futuro Introduzione alla Robotica 53/60 Scenario a venire Robot che scompaiono La tecnologia robotica diviene ubiquitaria, distribuita e/o integrata in ambienti intelligenti proprio come i computer che stanno diventando sempre più pervasivi Sogno o realtà?

54 Libro di testo Introduzione alla Robotica 54/60

55 Textbook Introduzione alla Robotica 55/60

56 Modellistica, pianificazione e controllo Introduzione alla Robotica 56/60 Modellistica Cinematica (Cap. 2) Cinematica differenziale (Cap. 3) Dinamica (Cap. 7) Robot mobili (Cap. 11) Pianificazione Pianificazione di traiettorie (Cap. 4) Pianificazione del moto (Cap. 12) 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) Algoritmi di ricerca su grafo (App. E) Controllo in retroazione (App. C)

57 A Springer Handbook of Robotics B. Siciliano & O. Khatib (Editors) PROSE Awards for Excellence in Physical Sciences & Mathematics + Engineering & Technology (February 2009) Robotics Foundations (D. Orin) 9 Introduzione alla Robotica 57/60 B C D E Robot Structures (F. Park) Sensing and Perception (H. Christensen) Manipulation and Interfaces (M. Kaneko) Mobile and Distributed Robotics (R. Chatila) F Field and Service Robotics (A. Zelinsky) 14 VII G Human-Centered Human-Centered and and Life-Like Life-Like Robotics Robotics (D. Rus) (Rus) 8

58 2 nd Edition in progress expected to be published in 2016

59 i robot sono con noi, dentro di noi e tra di noi

60 Grazie [:] Introduzione alla Robotica 60/60 IL TEAM Bruno Siciliano Luigi Villani Vincenzo Lippiello Alberto Finzi Silvia Rossi Franco Cutugno Fanny Ficuciello Fabio Ruggiero Agostino De Santis Rafik Mebarki Antoine Petit Jun Nishiyama Alejandro Donaire Aykut Satıcı Francesca Cordella Mariacarla Staffa Daniela D'Auria Luca Buonocore Jonathan Cacace Diana Serra Mahdi Momeni Andrea Fontanelli Valeria Federico Jonathan van der Meer FINANZIAMENTI 8.5 M