ROBOT. 1. Premessa. asservimento alle macchine utensili (scarico dei pezzi lavorati e carico dei pezzi da lavorare);

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1 ROBOT 1. Premessa Il termine Robot viene introdotto per la prima volta nel 1920 dal commediografo Karel Capek con il termine ceco "robota" (lavoratore). Isaac Asimov, scrittore di libri divulgativi e di fantascienza gettò nel 1941 le basi delle famose "tre leggi della robotica": 1) Un robot non può recare danno a un essere umano, né astenendosi dall'intervenire può permettere che un essere umano subisca un danno; 2) Un robot deve ubbidire agli ordini che gli sono dati dagli esseri umani, eccetto i casi in cui tali ordini sono in conflitto con la Prima Legge; 3) Un robot deve proteggere la propria esistenza, purché tale protezione non violi la Prima o la Seconda Legge Per Robot si intende un apparecchiatura che esegue operazioni programmate. A volte queste macchine sono dotate di organi sensoriali che permettono, in base ad un sistema retroazionato, di modificare e adattarsi alle nuove esigenze. Sono stati in genere costruiti per sostituire l uomo nella fabbricazione, costruzione e manipolazione di materiali pesanti e pericolosi, o in ambienti proibitivi o non compatibili con la condizione umana, per aumentare la produttività e la precisione delle lavorazioni, ridurre la contaminazione o semplicemente per liberare l uomo da impegni. I robot hanno inoltre la possibilità di essere riprogrammati e quindi di poter cambiare alcune delle funzioni da svolgere ed inoltre possono svolgere compiti diversi: palletizzazione e depalletizzazione (caricamento e scaricamento di oggeti su pallet); asservimento alle macchine utensili (scarico dei pezzi lavorati e carico dei pezzi da lavorare);

2 montaggio di elementi (dal montaggio dei componenti su schede elettroniche, all'allestimento di complessi motori); saldatura (per punti, all arco elettrico, laser, al plasma); sbavatura di componenti provenienti da altre lavorazioni; operazioni di taglio tramite laser o water jet; verniciatura; piccole lavorazioni meccaniche, quali forature, fresature, contornature, ecc.; applicazioni di collanti o sigillanti; asservimento in reparti di fonderia (estrazione del greggio, eliminazione delle scorie dal metallo fuso, colata, ecc.) ed in reparti presse (carico e scarico di pezzi stampati, tranciati o imbutiti); operazioni di misura e controllo dimensionale tramite tastatori.

3 Perché il robot L'impiego di un robot in un'industria, se accuratamente pianificato e studiato, consente di ottenere vantaggi tipici dell automazione industriale, e riassumibili nei seguenti criteri generali: Miglioramento della qualita' del prodotto: a differenza dell'uomo i robot non si stancano e hanno un rendimento costante nell'arco della giornata lavorativa. Aumento della produttivita': i robot lavorano praticamente senza interruzioni, con movimenti estremamente veloci e, di solito, ottimizzati. Miglioramento dell'immagine dell'azienda: un'azienda che si dimostra tecnologicamente all'avanguardia e' anche, come immagine, piu' competitiva sul mercato. Possibilità di lavorare in ambienti ostili: i robot possono essere tranquillamente adoperati in ambienti ostili all'uomo (presenza di agenti inquinanti, tossici, radioattivi) o quando il processo può risultare pericoloso per l uomo (saldatura, verniciatura, smerigliatura, ecc) Necessità di ridurre i costi di produzione: su produzioni di grandi quantità, il robot risulta sicuramente economico; ad un costo iniziale superiore dovuto all acquisto e alla messa in produzione del robot, segue un costo/unità molto più basso. Il notevole investimento di capitale impegnato per l'installazione di impianti robotizzati e per la programmazione e manutenzione degli stessi, può quindi essere ripagato attraverso i suddetti vantaggi e anche su altri aspetti quali: minore richiesta di personale addetto alla conduzione degli impianti produttivi, minori costi di addestramento del personale (dato che il tempo richiesto per istruire un robot è senz'altro minore di quello che occorre ad addestrare un operatore). Il miglioramento dell approccio alla programmazione di un robot, attraverso nuovi sistemi di autoapprendimento e l abbassamento dei costi d acquisto di un robot, ha determinato nuovi criteri di scelta degli impianti robotizzati, che possono essere qui riassunti: Flessibilità del sistema: il robot si può velocemente adattare, attraverso leggere modifiche di struttura e di programma al cambio di produzione. Produzione di piccoli lotti: la facilità di programmazione ha reso competitiva anche la produzione di piccole quantità di pezzi. Facilità di programmazione (programmazione off line): è possibile programmare, attraverso il personal computer ed anche simulare il funzionamento del programma, mentre il robot e in fase operativa. Capacità di integrazione in sistemi già esistenti: l aggiunta di un robot in una linea di produzione non determina stravolgimenti od alterazioni. Possibilità di raccogliere e/o inviare dati: il monitoraggio della produzione attraverso un sistema integrato con il software del robot consente di memorizzare importanti dati. Adattamento delle traiettorie alle variazioni del pezzo: il miglior approccio alla programmazione e la possibilità di autocorrezioni delle traiettorie permettono una maggior flessibilità.

4 Non vanno comunque dimenticati alcuni aspetti che possono risultare negativi se sottovalutati in fase di scelta del robot. Le difficoltà nell utilizzo dei robot possono essere qui riassunte: Addestramento del personale Necessità di personale qualificato Conoscenze di informatica e di logica Tempi di programmazione lunghi Esiste la macchina perfetta? Esiste il Robot ideale? Quali requisiti dovrebbe avere e come dovrebbe essere? Un robot dovrebbe essere: Veloce Preciso Sicuro Economico Ricco di interfacce verso l esterno Fornito di ampia memoria per la elaborazione e la raccolta dati Facile da programmare (Programmabile off line tramite Personal Computer) Adattabile alle variazioni di forma dei pezzi da lavorare Sulla base delle analisi sviluppate precedentemente, è possibile stabilire quali sono le aziende che possono utilizzare dei robot: Aziende grandi e ben strutturate in grado di affrontare grossi investimenti. Aziende medie con grandi capacità imprenditoriali con previsione di espansione. Aziende piccole con grandi numeri di produzione in grado di sopperire alla mancanza di manodopera poco qualificata attraverso tecnologia d avanguardia. Struttura di un robot Un robot è composto da organi meccanici ed elettrici governati da una o più unita centrali assimilabili alla CPU di un normale computer che, unitamente a componenti di memoria riscrivibili, permettono la memorizzazione e l esecuzione dei comandi. Nella struttura un robot può essere considerato come una macchina costituita da un certo numero di elementi uniti tra di loro tramite giunti cinematici che consentono loro un movimento relativo. Esistono fondamentalmente due tipi di giunto utilizzati normalmente in robotica: a) giunto prismatico P: che consente un moto lineare relativo tra due elementi (Fig. 1); Fig. 1 b) giunto rotoidale R: che consente un moto rotatorio relativo tra due elementi; questo moto rotatorio può avvenire attorno ad un'asse parallelo agli assi dei due elementi o perpendicolare ad essi (Fig. 2). Fig. 2 Il numero degli elementi, la tipologia dei giunti e la loro successione lungo la catena cinematica definiscono la geometria del robot.

5 Cinematica e dinamica La cinematica è il calcolo delle posizioni assunte dagli elementi del robot senza alcun interesse per le masse e le forze coinvolte, lo studio del moto avviene in termini di spostamento, velocità ed accelerazione. Lo studio della dinamica invece permette agli scienziati di creare modelli che rappresentano accuratamente come le masse e le forze interagiscano nel moto degli oggetti. La dinamica infatti analizza il moto in termini di forze che si scaricano sul robot e sul loro effetto. La cinematica del robot dovrà ovviamente rispettare la legge di impenetrabilità degli oggetti. Nell esempio di Figura 3 la posizione del giunto del polso è bloccata, l insieme delle coordinate possibili assunte dal gomito è un arco ( linea viola). Analizzando le possibili configurazioni della spalla e rispettando l impenetrabilità definiamo un area detta area di lavoro ( ombreggiata in blu) limitata esteriormente dalla massima escursione della spalla. Fig. 3

6 Tipologie dei robot Il robot è costituito da una catena articolata di elementi meccanici collegati tra loro con accoppiamenti prismatici e rotoidali. A seconda del tipo di struttura meccanica e dei diversi dei giunti impiegati, possiamo avere varie tipologie di robot. Robot cartesiano Fig. 4 Un robot cartesiano (Fig. 4) si muove lungo tre assi perpendicolari in modo tale che è possibile definire la posizione del suo utensile con le coordinate X,Y,Z. Un robot cartesiano viene anche chiamato robot a coordinate rettangolari perchè gli assi si trovano a 90 gradi tra di loro. Ha tre giunti prismatici (PPP) ed il suo volume di lavoro è un parallelepipedo. In meccanica è molto usato nel campo del taglio di lamiere. Robot cilindrico Fig. 5 Un robot cilindrico (Fig. 5) è molto simile ad uno cartesiano se si eccettua il fatto che il primo giunto prismatico è sostituito da un giunto rotoidale (RPP). Il suo aspetto è quello di una base rotante a cui si somma un meccanismo di scorrimento in orizzontale ed in verticale. Dato che, come si può ben vedere dalla figura, esistono delle limitazioni radiali minime alle posizioni possibili dell estremità, il volume di lavoro del robot sarà compreso tra due cilindri verticali concentrici. Robot SCARA Fig. 6 Un altro robot progettato con due giunti rotoidali ed uno prismatico è lo SCARA (Fig. 6), acronimo di SHORT for COMPLIANCE ASSEMBLY ROBOT ARM. Uno SCARA presenta due rotazioni che avvengono secondo assi che appartengono allo stesso piano (RRP). In uno SCARA gli snodi sono verticali ed l estremità trasla verticalmente. Questa particolare configurazione minimizza gli effetti della forza di gravità sul robot scaricandoli a terra e permettendo l utilizzo di questa macchina in casi di forti pressioni verticali come nelle perforazioni. Il volume di lavoro dello SCARA può variare profondamente in base al range di movimento dei primi due assi.

7 Robot articolato Fig. 7 Questo esempio di un tipico robot articolato utilizza tre giunti rotoidali (RRR) (Fig. 7). E il robot più somigliante all uomo essendo la rappresentazione semplificata di un braccio umano. La sua base può ruotare a destra o a sinistra fino a raggiungere i 360 gradi, la spalla abbassa ed alza il braccio ed il gomito ruota. Fig. 8 Il volume di lavoro, colorata in azzurro (Fig. 8), di un robot articolato dipende fortemente dalle lunghezze delle sue parti. Gradi di libertà I gradi di libertà sono il numero degli snodi (prismatici P o rotoidali R) che ha la struttura del robot. La teoria ci dice che bastano 6 gradi di libertà per definire univocamente la posizione di un corpo nello spazio (3 gradi di traslazione e 3 gradi di rotazione). E quindi possibile far compiere al robot un movimento qualsiasi opportunamente suddiviso in singole rotazioni o traslazioni compatibilmente con i vincoli imposti al nostro sistema. Un robot con 6 gradi di libertà ha la possibilità non solo di raggiungere qualunque punto interno al volume di lavoro, ma di orientarne liberamente l estremità. Molto spesso nella pratica non e necessario utilizzare dei robot in grado di compiere qualsiasi movimento (per riempire di microchip un circuito stampato per esempio, bastano 4 gradi di libertà), da qui l utilizzo di robot più semplici e dai costi spesso più contenuti. Il robor SCARA di Figura 9 ha ad esempio solo 3 gradi di libertà (RRP), ma è un robot molto diffuso. Fig. 9

8 Estremità di un robot All estremità del braccio di un robot possono essere applicati svariati organi: organi di presa, a- pinze pneumatiche (Fig. 10): esse costituiscono un semplice organo di presa. Un piccolo cilindro pneumatico posto al loro interme permette attraverso un sistema meccanico di chiudere le estremità; Fig. 10 b- ventose pneumatiche(fig. 11): aderiscono di un oggetto che ha una superficie abbastanza liscia. Una pompa a vuoto o semplicemente un tubo venturi crea la depressione necessaria. Minore è la pressione interna, maggiore può essere il carico sollevato. Vengono utilizzate per il sollevamento di materiali come lastre di vetro o cemento, cartoni, l apertura di sacchi ecc. Fig. 11 utensili per saldare (Fig. 12), pistole per verniciare, mole per sbavare, ecc. Azionamenti Fig Robot di saldatura I movimenti sono generalmente gestiti da motori elettrici che abbiano un posizionamento controllato, come ad esempio i motori passo-passo ed i motori brushless grazie alle loro doti di precisione e controllabilità. L azionamento pneumatico è utilizzato solo nei casi in cui il manipolatore deve movimentare carichi molto leggeri. Presenta la difficoltà nel controllo, vista la comprimibilità dell aria. Sui robot troviamo comunque anche organi ausiliari pneumatici quali pinze ed attuatori rotanti: in questo caso la precisione nel posizionamento viene ottenuta attraverso fermi meccanici. L azionamento idraulico è utilizzato infine solo nei casi in cui il manipolatore deve movimentare carichi molto ingenti, hanno il pregio di un preciso posizionamento, ma il circuito può risultare ingombrante.

9 Sensori I sensori hanno il compito di inviare informazioni al sistema di controllo. In molti casi sono costituiti da semplici dispositivi come contatti di finecorsa: essi hanno il solo scopo di comunicare al sistema di controllo che il movimento di una parte del robot è terminato oppure che il pezzo è nella giusta posizione per essere raccolta. In altri casi i dispositivi sono più complessi ed è richiesta una sensoristica più sofisticata e tecnologicamente più avanzati. Sono usati a tale scopo: sensori di prossimità che indicano la vicinanza di un oggetto, prima ve venga stabilito un contatto fisico e materiale; sono usati inoltre per stabilire la distanza reale dell oggetto. sensori tattili di contatto che comunicano l avvenuto contatto fra il sensore e l oggetto sensori di forza che trasmettono il valore della forza esercitata dall oggetto sul sensore: trovano applicazione nella determinazione della forza esercitata dalle pinze durante l operazione di afferraggio dell oggetto. sensori di visione artificiale che sono in grado di vedere ed interpretare lo spazio di lavoro: usati per compiti di ispezione e per identificare oggetti. sensori vari come i sensori di posizione (esempio encoder) e di velocità per il controllo dei movimenti dei bracci, di temperatura, pressione, ecc. Software Per poter utilizzare un robot, occorre programmarne il compito. Il programma è l insieme delle istruzioni per il movimento delle singole parti del robot. I metodi di programmazione di un robot possono essere riassunti in: manuale. Utilizzato per semplici manipolatori, con compiti limitati. Il robot è gestito da un sequenziatore elettrico o attraverso Plc che stabilisce l ordine con cui vengono eseguiti i movimenti. Finecorsa e arresti meccanici controllano i punti finali dei movimenti dei singoli giunti. guidata. Il robot è controllato da un computer. Attraverso un tastierino (Fig. 13) viene eseguita la serie di comandi che muovono il robot lungo la traiettoria desiderata. Questa viene memorizzata e ripetuta in fase operativa. Viene detta anche programmazione mediante addestramento. Fig. 13 linguaggi di programmazione. Sviluppati a causa della crescente complessità dei compiti svolti dai robot e dalla concomitante necessità di inserire nel ciclo di lavoro la capacità di assumere decisioni logiche. Va comunque precisato che ogni casa costruttrice ha sviluppato la propria programmazione e quindi si sono diffusi parecchi di questi linguaggi. fuori linea. In questo caso la preparazione del programma e la sua simulazione con grafica animata vengono eseguite su un computer remoto. Il programma può essere poi trasferito sul robot senza interromperne il funzionamento.

10 Parametri caratteristici del robot I parametri caratteristici di un robot sono: Precisione: distanza tra il punto raggiunto ed il punto che si era impostato. Ripetitività: capacità di raggiungere sempre lo stesso punto. Esempio: +/- 0.1 mm Velocità: velocità massima raggiunta dall estremità del robot. Esempio: v = 3000 mm/s Fig. 14 a) b) c) d) Nelle figure precedenti sono stati riassunti diverse combinazioni delle due caratteristiche: precisione e ripetitività. Sono stati indicati i punti raggiunti su un piano dall estremità di un robot, mentre il punto impostato è indicato dall intersezione degli assi centrali. In Figura 14 a) si ha una buona ripetitività perché tutti i punti sono riuniti e buona precisione perchè i punti sono raccolti intorno al punto impostato. In Figura 14 b) si ha invece una buona ripetitività, ma scarsa precisione. In Figura 14 c) la precisione è accettabile, ma si una scarsa ripetitività. In Figura 14 d) la precisione e la ripetitività sono scarse. Poiché la scarsa precisione può essere corretta attraverso un aggiustamento del programma, è ovvio che questo parametro ha poca importanza. Molto più grave è invece la scarsa ripetitività che essendo causata dai giochi meccanici o dall imprecisione (scarsa ripetitività) dei trasduttori, è difficilmente migliorabile. Rotazioni dell estremità di un robot Le rotazioni dell estremità del braccio di un robot possono avvenire attorno a 3 assi ortogonali fra di loro: esse prendono il nome dai movimenti tipici delle navi: rollio, beccheggio, imbardata. In figura 15 sono riportate queste tre rotazioni, relative ad una pinza pneumatica: il rollio R, il beccheggio B e l imbardata I. Fig. 15 Questi movimenti, utili per il posizionamento della pinza, possono risultare indesiderati per altre parti meccaniche, ad esempio un giunto prismatico. Durante il movimento di questo accoppiamento è possibile che si verifichino rotazioni indesiderate, causate ad esempio da un gioco eccessivo. In figura 16 si ha un giunto prismatico che durante il movimento lineare è sottoposto a tre rotazioni: beccheggio, imbardata e rollio. Tutte queste rotazioni portano ad irregolarità del moto e ad errori angolari di posizionamento. Fig. 16

11 Piccoli robot A titolo di curiosità sono riportati alcuni piccoli robot adatti principalmente per il gioco e la didattica. Robot con le zampe Robot alati Robot con le ruote Sumo robot