Lezione 2: I problemi fondamentali. Per capire meglio i problemi

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1 Robotica Industriale Lezione 2: I problemi fondamentali Per capire meglio i problemi Diamo un occhiata a cosa si fa con i robot industriali Cerchiamo di capire quali siano le esigenze del lavoro che devono compiere 2 1

2 Prima applicazione: spostare oggetti Grossolana ma non necessariamente: Prendere un oggetto da una posizione e depositarlo in un'altra: pick and place Prendere un oggetto da una posizione (fissa) e depositarlo in un'altra (variabile): (pallettizzazione) Prendere un oggetto da un posizione (variabile) e depositarlo in un'altra: (de-pallettizzazione) Prendere un oggetto da una posizione (incognita) e depositarlo in un'altra (visione artificiale) Media: Carico e scarico di macchine utensili Fine: Collegamento di un oggetto con un altro al fine di costruire un oggetto più complesso (assemblaggio) 3 Seconda applicazione: spostare utensili Senza interazione diretta Deposizione di collanti, sigillanti, ecc. Verniciatura a spruzzo Taglio a filo d'acqua Taglio a laser Con interazione diretta Saldatura a punti Saldatura ad arco Avvitatura Molatura, sbavatura, ecc. 4 2

3 Terza applicazione: tutto il resto Senza interazione diretta Con interazione diretta 5 Inquadriamo il problema Molte delle operazioni che l uomo fa durante i processi produttivi sono operazioni di manipolazione Diretta (degli oggetti che si stanno fabbricando) Indiretta: si manipolano attrezzi che operano sugli oggetti Normalmente l uomo usa le mani, che sono attaccate ai polsi, che sono attaccati alle braccia,, che sono attaccate ai piedi, che sono attaccati al terreno (?!) Le operazioni di manipolazione richiedono quindi organi meccanici in grado di spostare nello spazio una mano meccanica, o per meglio dire, un end effector. 6 3

4 Definizioni Manipolatore (robot, braccio meccanico, robot industriale, ): la macchina, nel suo insieme; Braccio: gli organi meccanici che stanno fra la base e il polso; Polso: flangia (o altro dispositivo) a cui viene attaccato l end effector; End effector: qualunque dispositivo venga attaccato al polso per compiere operazioni Pinza Attrezzo dedicato 7 Un altra definizione: il telemanipolatore 8 4

5 Telemanipolatore vs. manipolatore: Telemanipolatore: Manipolatore: L uomo deve potere essere rimosso 9 Esempi di applicazioni Manipolazione Montaggio ruote Verniciatura Saldatura ad arco Saldatura a punti Sbavatura Assemblaggio 10 5

6 Robotica Industriale 2009 Manipolazione Saldatura ad arco (arc welding) 6

7 Il principio della saldatura ad arco: Elettrodo (consumabile) Cianfrino Saldatura a punti (spot welding) 14 7

8 Il principio della saldatura a punti: Elettrodo - + Elettrodo 15 Sbavatura 16 8

9 Assemblaggio 17 Montaggio ruote 18 9

10 Verniciatura 19 Ma c è ben altro! Cooperazione Asimo 20 10

11 Robot cooperativi 21 Il primo problema: la posizione di un oggetto Quasi tutte le applicazioni (industriali) che abbiamo visto implicavano la soluzione di uno o più di questi problemi fondamentali: Prendere un oggetto che sta in una determinata posizione Depositare un oggetto in una determinata posizione Portare un attrezzo in una determinata posizione Oppure di problemi più complessi, tipo Far seguire ad un attrezzo una determinata traiettoria Far seguire a tutto il robot (mobile) una determinata traiettoria 22 11

12 Guardate attentamente questa fotografia C è un astuccio Voglio costruire una macchina che lo sappia afferrare Devo indicarle in che posizione si trova Come posso fare? 23 Esistono diversi sistemi: Nel laboratorio di Robotica Sul tavolo, accanto a Marmot A 240mm a ESE della ruota n. 2 di Marmot In posizione (X=3224, Y=2450) rispetto all angolo della stanza In coordinate N, E A 2752mm a SE della colonna 24 12

13 Cosa ne è venuto fuori: Sistemi qualitativi Richiedono intelligenza interpretativa Sistemi quantitativi Richiedono capacità di misurazione Assoluti (rispetto a un riferimento fisso) Relativi (rispetto a un riferimento mobile) Siccome per ora trattiamo robot non intelligenti, parleremo solo dei sistemi quantitativi 25 Ora, ipotizziamo di voler afferrare l astuccio: 26 13

14 C è qualcosa che non quadra: I nostri sistemi non funzionano né con la pinza Né con la ventosa! 27 Allora, nessuno di questi metodi è giusto! Per descrivere quantitativamente la posizione di un corpo nello spazio occorrono SEI coordinate, non tre! Associamo rigidamente al corpo una terna di assi cartesiani Descriviamo la posizione di questa terna rispetto ad una terna di riferimento: Coordinate dell origine Orientamento angolare della terna 28 14

15 In altre parole: Z Y X z y x 29 Allora, se il nostro punto si chiama P Z Y X P z Z P y x X Y P 30 15

16 E per l orientamento RX P Z z y Y x RZ X P (Ry P ) 31 Ovviamente, ci sono anche altri metodi R θ P Z R ϕ θ P Coordinate cilindriche Coordinate sferiche 32 16

17 E lo stesso vale per le coordinate angolari Si possono usare i coseni direttori Oppure i concetti di Roll, Pitch e Yaw (Rollio, beccheggio e imbardata) 33 Ultima osservazione: La scelta del sistema di rappresentazione delle posizioni non è molto importante Le trasformazioni da un sistema di coordinate ad un altro sono (in genere) semplici e poco onerose tranne una, che ci creerà non pochi problemi

18 Il secondo problema: raggiungere un oggetto Ora che abbiamo capito come si definisce la posizione di un oggetto, dobbiamo inventarci una macchina che possa raggiungere tale posizione 35 Occorrono componenti fisici: La pinza Assi di legno Chiodi 36 18

19 Dopo un po di tempo: Ma questa struttura è rigida, e non serve a niente! 37 Rifacciamo tutto: Perché questa struttura funziona? Perché non è rigida Però attenzione: funziona solo parzialmente 38 19

20 Parlando tecnicamente: Segmenti (Link) In prima approssimazione sono perfettamente rigidi Hanno massa nulla Giunti (Joints) Collegano fra loro i link Permettono certi movimenti e non altri, cioè tolgono alcuni gradi di libertà e ne lasciano altri (spesso uno solo) 39 I sei tipi di giunti primari: Di rotazione Cilindrico (rettilineo) Sferico Planare (piano) Prismatico (rettilineo) Elicoidale (rettilineo) 40 20

21 Tipi di movimenti permessi: Rotazioni (intorno ad un asse) Traslazioni (movimenti paralleli a se stessi) 41 Giunti e movimenti: Rotazioni Traslazioni (Saldatura) Prismatico 1 Rotatorio Cilindrico Planare 2 Polso umano 3 Sferico Veicolo spaziale 42 21

22 È abbastanza evidente che L estremità del nostro braccio ideale deve potersi muovere in sei modi diversi (deve avere sei gradi di libertà) Per ottenere ciò, dobbiamo utilizzare almeno sei possibilità di movimento Ma la combinazione dei giunti deve essere opportuna E anche la loro disposizione 43 Per esempio: Sì Tre traslazioni e tre rotazioni Due traslazioni e quattro rotazioni Una traslazione e cinque rotazioni Sei rotazioni No Sei traslazioni Cinque traslazioni e una rotazione Ecc

23 Ma devono anche essere ben disposte: Queste strutture non vanno bene! 45 Un giunto speciale : Il giunto sferico equivale all unione di tre giunti di rotazione, i cui assi sono ortogonali fra di loro e si incontrano nello stesso punto. Questo semplifica moltissimo alcuni calcoli Purtroppo non è facilissimo da costruire 46 23