Componenti per la robotica: Generalità e Attuatori

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Valentina Albanese
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1 Corso di Robotica 1 Componenti per la robotica: Generalità e Attuatori Prof. Alessandro De Luca Robotica 1 1

2 Robot come sistema programma di lavoro comandi Robot azioni ambiente di lavoro organi meccanici organi sensoriali organi di controllo organi di governo e calcolo Robotica 1 2

3 Unità funzionali di un robot organi meccanici (robot manipolatori) bracci rigidi connessi da giunti prismatici o rotoidali (1 grado di libertà) nella struttura meccanica si individuano spesso struttura portante (mobilità), polso (destrezza), organo terminale o end-effector (esecuzione del compito, ad es. manipolazione) organi sensoriali propriocettivi (stato interno del robot: posizione e velocità) esterocettivi (ambiente esterno: forza e prossimità, visione artificiale) organi di controllo attuatori (elettrici, idraulici, pneumatici) algoritmi di controllo organi di governo e calcolo programma di lavoro intelligenza artificiale Robotica 1 3

manipolazione) organi sensoriali propriocettivi (stato interno del robot: posizione e velocità) esterocettivi (ambiente esterno: forza e prossimità, visione

4 Sistemi di attuazione sorgente di alimentazione P p elettrica, idraulica, o pneumatica P = potenze in gioco meccanica P c amplificatore di potenza P a P m P u organo di servomotore trasmissione P da P ds P dt elettrica potenze disperse per effetti dissipativi (ad es. attriti) Robotica 1 4

di potenza P a P m P u organo di servomotore trasmissione P da P ds P dt

5 Organi di trasmissione ottimizzano il trasferimento di coppia meccanica dai motori ai bracci movimentati trasformazione quantitativa (da bassa coppia/alta velocità ad alta coppia/bassa velocità) trasformazione qualitativa (ad es. da rotazione del motore a traslazione del braccio lungo un giunto) permettono di migliorare le prestazioni statiche e dinamiche alleggerendo la struttura meccanica (posizionando i motori alla base del robot) Robotica 1 5

6 Trasmissioni in robotica ruote dentate: consentono lo spostamento (rotazione e traslazione) dell asse di rotazione problemi: deformazioni, giochi coppie vite-madrevite: convertono il moto rotatorio in traslatorio (giunti prismatici) problemi: attriti, elasticità, giochi cinghie dentate e catene: consentono di dislocare il motore rispetto all asse del giunto problemi: deformazioni (cinghie) o vibrazioni indotte dalla massa elevata (catene) harmonic drive: trasmissione compatta (coassiale) con elevato rapporto di riduzione (fino a :1) problemi: elasticità alberi di trasmissione: lungo i bracci Robotica 1 6

di dislocare il motore rispetto all asse del giunto problemi: deformazioni (cinghie) o vibrazioni indotte dalla massa elevata (catene) harmonic drive:

7 Harmonic drive Wave Generator (C) di forma esterna leggermente ellittica Circular Spline (A) #denti esterni FS = #denti interni CS - 2 rapporto di riduzione n = #denti FS / (#denti CS - #denti FS) FlexSpline (B) (due punti di contatto) input dal motore output sul carico Robotica 1 7

2 rapporto di riduzione n = #denti FS / (#denti CS - #denti FS)

8 Ottimizzazione del rapporto di riduzione motore P m organo di trasmissione P u giunto nel caso ideale (no attrito).. P m = T m θ m = T u θ u = P u coppia x velocità angolare P dt potenza dissipata per attrito.. n = rapporto di riduzione (1) θ m = n θ u T u = n T m.... per avere θ u = a (dunque θ m = n a) il motore deve applicare una coppia.... T m = J m θ m + 1/n (J u θ u ) = (J m n + J u /n) a inerzia x accelerazione angolare T per minimizzare T m, si impone: m = (J m - J u /n 2 ) a = 0 n n = (J u / J m ) 1/2 condizione di matching tra inerzie Robotica 1 8

. n = rapporto di riduzione (1) θ m = n θ u T u = n T m.... per avere θ u = a (dunque θ m = n a) il motore deve applicare una coppia.

9 Caratteristiche di servomotori per robot bassa inerzia elevato rapporto potenza/peso capacità di accelerazione elevata moto variabile con inversioni frequenti ampio campo di variazione delle velocità da 1 a 1000 giri/min elevata precisione di posizionamento almeno 1/1000 di giro bassa ondulazione della coppia rotazioni continue a basse velocità Robotica 1 9

variazione delle velocità da 1 a 1000 giri/min elevata precisione di posizionamento

10 Servomotori pneumatici: energia pneumatica (compressore) pistoni o turbine energia meccanica difficoltà di controllo (compressibilità fluido) no controllo di traiettoria impiegati in apertura/chiusura utensili tipo pinza idraulici: energia idraulica (serbatoio di accumulazione) pompe energia meccanica vantaggi: assenza di surriscaldamento statico, auto-lubrificati, intrinsecamente sicuri (no scintille), ottimo rapporto potenza/ peso, alte coppie a basse velocità (senza riduzioni) svantaggi: disponibilità alimentazione, costo elevato, ingombro, basso rendimento, manutenzione, inquinamento Robotica 1 10

meccanica vantaggi: assenza di surriscaldamento statico, auto-lubrificati, intrinsecamente sicuri (no scintille), ottimo rapporto potenza/ peso, alte

11 Servomotori elettrici vantaggi disponibilità alimentazione costo contenuto vasta gamma di prodotti buon rendimento facile manutenzione assenza di inquinamento svantaggi surriscaldamento in situazioni statiche (in presenza di gravità) necessità di protezione in ambienti infiammabili Robotica 1 11

assenza di inquinamento svantaggi surriscaldamento in situazioni statiche

12 Servomotori elettrici per robot statore (magnete permanente) schemi di principio collettore statore spazzole rotore (inerzia del motore) θ V 1 V 2 V n circuito di commutazione V a a corrente continua (DC) V a a commutazione elettronica (brushless) Robotica 1 12

del motore) θ V 1 V 2 V n circuito di commutazione V a a corrente

13 Vantaggi motore brushless minori perdite elettriche (dovute a caduta di tensione al contatto spazzole-collettore) e meccaniche (attrito) minore manutenzione (sostituzione spazzole) smaltimento di calore più semplice rotore più compatto (minore inerzia e dimensioni più contenute) a fronte di un costo più elevato! Robotica 1 13

(sostituzione spazzole) smaltimento di calore più semplice rotore più compatto

14 Motore elettrico DC: modello equilibrio elettrico V a = (R a + sl a ) I a + V g V g = k v Ω nel dominio di Laplace (funzioni di trasferimento) loop di corrente equilibrio meccanico C m = (si m + F m ) Ω + C r C m = k t I a tipicamente k v = k t V - c C i (s) + V c k i G v V a 1 1+sT v + sl a - - V g I a k t + C r - C m Ω θ - 1 si m 1 s k i = 0 generatore controllato di velocità k i C i (0) G v R a generatore controllato di coppia R a k v F m Robotica 1 14

tipicamente k v = k t V - c C i (s) + V c k i G v V a 1 1+sT v + sl a - - V g I a k t + C r - C m Ω θ - 1 si m 1 s

15 DC drives Data sheet servomotori elettrici Max. Instant. Torque coppia e velocità nominali e di picco Robotica 1 15

16 AC drives Data sheet servomotori elettrici Robotica 1 16

17 Esploso di un giunto del robot DLR-III Robotica 1 17

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