I.I.S.S. G. Marconi Bari. Istituto Tecnico settore Tecnologico :: Liceo Scientifico opzione Scienze applicate. Il Robot a scuola

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1 Il Robot a scuola

2 Un approfondimento sui Robot industriali

3 Classificazione dei Robot industriali Classificazione Cinematica Funzionale Operativa Dinamica Sensoriale Criterio Caratteristiche geometriche e cinematiche (tipo di movimenti) Tipo di applicazione Modalità di controllo dei movimenti del braccio Caratteristiche energetiche degli attuatori Capacità percettive dei robot in relazione al proprio stato e a quello del mondo esterno

4 Nomenclatura (ISO 8373)

5 Il sistema Robot Il sistema robot è un sistema a retroazione ovvero ad anello chiuso. Dall unità di governo partono gli ordini per il sistema di azionamento che, attraverso gli attuatori, muove la meccanica; questa interagisce con il mondo esterno svolgendo il compito assegnato ai robot. Per mezzo di opportuni sensori vengono rilevate tutte quelle grandezze che costituiscono il feedback (retroazione) necessario all unità di governo per gestire l intero sistema.

6 : attuatori a - b - c d: sensori

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8 La struttura meccanica dei robot La struttura meccanica dei robot è costituita da una sequenza di elementi meccanici connessi tra loro da giunti (catena cinematica) che ne consentono il moto relativo. I singoli elementi possono essere connessi tra loro: - in serie (a) (struttura seriale o catena cinematica aperta) - in parallelo (b) (struttura parallela o catena cinematica chiusa) La struttura è seriale quando i singoli elementi sono collegati l'uno all'altro come gli anelli di una catena; è parallela quando tutti gli elementi sono collegati sia a terra sia all'estremità della struttura tramite dei giunti rotoidali.

9 La struttura seriale garantisce una più ampia possibilità di movimento, mentre quella parallela permette di ottenere una maggiore rigidezza. Osservando l'esempio è infatti evidente che il robot di sinistra (a) può spostare la sua estremità "Ea" in una porzione di piano maggiore di quella raggiungibile da "Eb" mentre quello di destra (b) offre una maggiore rigidezza grazie alla struttura triangolare.

10 Il primo elemento della catena cinematica è quello collegato a terra che viene definito telaio, quando è fisso (a) oppure base mobile, quando ha delle possibilità di movimento (b)

11 Gradi di libertà di un Robot Poiché il robot è chiamato a manipolare oggetti, che si possono certamente ritenere corpi rigidi, stabilendone posizione ed orientamento, deve possedere almeno: - 3 GDL per poterli spostare ed orientare nel piano. - 6 GDL per posizionare e orientare arbitrariamente un corpo nello spazio: 3 di traslazione e 3 di rotazione

12 I giunti I giunti sono degli accoppiamenti meccanici che collegano due corpi rigidi; considerandone uno fisso che funga da vincolo, il numero di movimenti possibili dell altro stabilisce il numero di GDL del giunto.

13 Tipi di giunti In base alle possibilità di movimento che consentono, i giunti possono essere: Rotoidali: 1 GDL di rotazione Prismatici: 1 GDL di traslazione Cilindrici: 2 GDL uno di rotazione e uno di traslazione Sferici: 3 GDL di rotazione Elicoidali: 2 GDL uno di rotazione e uno di traslazione che non sono indipendenti fra loro

14 a: Il giunto prismatico permette un moto relativo traslatorio, come ad esempio un manicotto che scorre su una guida lineare b: Il giunto rotoidale permette ai due membri una rotazione relativa e si realizza tutte le volte in cui c'è un accoppiamento perno/cuscinetto c: Il giunto elicoidale permette un movimento relativo elicoidale, cioè una rotazione intorno ad un asse accompagnata da una traslazione lungo lo stesso. Tale movimento si realizza ad esempio tra una vite ed il suo dado.

15 a: Il giunto sferico permette ad esempio tre possibilità di spostamento relative ai due oggetti che collega (consente 3 GDL). Un esempio molto semplice dell'utilizzo di questo giunto si ha nei porta penna orientabili.. In tal caso i gradi di libertà permessi sono tre, in quanto la penna può essere ruotata sia attorno ad un asse verticale che attorno a due assi orizzontali ortogonali tra loro. In altre parole un solo giunto sferico permette di orientare in tutti i modi possibili un oggetto. b: Il giunto cilindrico permette due movimenti; infatti il sistema a valle può soltanto ruotare attorno all'asse del giunto e traslare lungo esso. Un esempio pratico di un giunto di questo tipo è un cilindro in cui lo stelo, oltre alla possibilità di traslare, ha anche quella di ruotare attorno al suo asse.

16 Gradi di libertà della struttura di un robot: Il numero di GDL di un robot è dato dalla somma dei GDL di tutti i giunti e quindi dipende dal loro numero e tipo.

17 Gradi di libertà dell'estremità della struttura: Per spostare un corpo nello spazio l attuatore Per spostare un corpo nello spazio l attuatore finale deve possedere 6 GDL e quindi il robot deve avere 6 assi, ovvero 6 giunti motorizzati disposti in modo tale da realizzare sei movimenti indipendenti tra di loro.

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19 Robot Atom 10 della RRRobotica: è del tipo articolato a 6 assi e dotato quindi di 6 giunti di rotazione

20 Gradi di libertà nelle applicazioni specifiche In molte applicazioni pratiche si utilizzano strutture con meno di sei gradi di libertà nell'intento di ridurre costi e complessità del robot. Robot a quattro gradi di libertà sono utilizzati in quelle applicazioni di montaggio (a) in cui l'unione delle parti si ottiene con una sequenza di inserzioni verticali. In tal caso infatti tre gradi di libertà (traslazioni lungo gli assi X ed Y e rotazione attorno ad un asse verticale) servono per posizionare ed orientare il pezzo nel piano, mentre il quarto (traslazione lungo un asse verticale) esegue l'operazione di inserzione.

21 Robot a tre gradi di libertà possono sostituirsi in modo del tutto equivalente a quelli a quattro ogni volta che i pezzi da montare sono cilindrici (perni, spine...). Infatti in questa situazione diventa del tutto superflua la possibilità di ruotare il pezzo attorno ad un asse verticale essendo il pezzo simmetrico rispetto a tale asse (b).

22 Robot a cinque gradi di libertà possono sostituirsi a quelli a sei tutte le volte in cui si devono manipolare degli oggetti dotati di simmetria assiale. Tipicamente si tratterà di oggetti di forma cilindrica che rendono del tutto superfluo il fatto che il robot possieda la capacità di ruotarli attorno al loro asse di simmetria.

23 Classificazione cinematica dei robot La classificazione più significativa dei robot viene fatta con riferimento al tipo di coordinate idonee ad individuare la posizione dell attuatore finale, o meglio di un suo punto di riferimento, in funzione dei movimenti dei 3 assi principali. Si hanno robot: Cartesiani detti PPP perché realizzati con 3 giunti prismatici Cilindrici detti RPP perché ottenuti con 1 giunto rotoidale e 2 giunti prismatici Polari o sferici detti RRP Articolati o angolari detti RRR Paralleli SCARA detti RRP

24 Robot cartesiani Robot i cui bracci hanno 3 giunti prismatici e i cui assi sono coincidenti con quelli di un sistema cartesiano Sono anche detti lineari o rettangolari e sono costruiti in varie forme: ad assi sovrapposti a montante a portale

25 I Robot cartesiani realizzano i tre movimenti principali utilizzando tre accoppiamenti prismatici orientati secondo tre assi ortogonali tra loro. Di conseguenza il volume di lavoro è un parallelepipedo le cui dimensioni sono fissate dalle corse dei singoli giunti. Possono essere realizzati con una struttura a portale o a montante.

26 Robot cartesiano con struttura a portale: Il principale vantaggio della struttura a portale è quello di permettere una precisione di posizionamento elevata ed uniforme in tutto lo spazio di lavoro.

27 Robot in cui il portale è ridotto ad uno solo dei due assi orizzontali.

28 Robot cartesiano con struttura a montante L'utilizzo di questa struttura semplifica notevolmente l'integrazione del robot, nel layout dell' impianto. Essi vengono installati ai bordi dell'area di lavoro e possono essere assimilati a degli uomini che, vicino al bordo del bancone di lavoro, eseguono operazioni di assemblaggio. Ciò facilita le possibilità di integrazione del robot all'interno dell'impianto produttivo in quanto non va ad intaccare la continuità del sistema di movimentazione; ne deriva tuttavia l'impossibilità di aggirare degli ostacoli presenti nel piano di lavoro, qualora questi siano compresi tra la pinza di manipolazione ed il montante della struttura.

29 Vantaggi: Moti lineari dei tre assi principali Modello cinematico semplice Struttura rigida Elevata accuratezza di posizionamento Svantaggi: Spazio di lavoro ristretto e comunque più piccolo dell ingombro del robot Giunti prismatici di rendimento inferiore a quelli rotoidali I giunti devono essere protetti dalla polvere Possono operare solo sulla parte superiore o laterale degli oggetti Non elevata velocità di lavoro sul piano orizzontale

30 Robot cilindrici RPP Si dicono cilindrici i robot i cui bracci formano un sistema di coordinate cilindriche; sono composti da un braccio orizzontale, scorrevole su un asse verticale, montato su una base rotante; avendo un giunto rotante e due giunti prismatici l catena cinematica consente una rotazione e due traslazioni

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32 Vantaggi: Discreto volume di lavoro Modello cinematico semplice Buona accessibilità nelle cavità In abbinamento all attuazione idraulica i pesi trasportati (carichi paganti) possono raggiungere valori notevoli Svantaggi: Retro del robot non accessibile Giunti prismatici meno efficienti di quelli rotoidali Guide difficili da sigillare Accuratezza di posizionamento dipendente dalla distanza della pinza dalla colonna Non elevata velocità sul piano orizzontale

33 Robot polari (o sferici) RRP Possono considerarsi derivati da quelli cilindrici nei quali lo spostamento verticale viene sostituito con l inclinazione del braccio.

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35 La struttura viene definita sferica in quanto il volume di lavoro è un settore di sfera. I due giunti rotatori descrivono infatti due archi perpendicolari fra loro mentre quello lineare determina il raggio della superficie sferica da essi descritta, variabile tra un minimo (sfilo contratto) e un massimo (sfilo esteso).

36 Robot articolati RRR I robot articolati o RRR, sono automi i cui bracci hanno almeno 3 giunti rotanti in molti casi tutti i giunti sono di tipo rotante.

37 Robot articolati o antropomorfi Questi robot sono detti antropomorfi in quanto riproducono abbastanza fedelmente le possibilità di movimento di un braccio umano o a giunti rotoidali verticali (in quanto il secondo e il terzo grado di libertà, detti rispettivamente spalla e gomito, muovono il braccio del robot all'interno di un piano verticale).

38 Il volume di lavoro può essere considerato, in prima approssimazione, come una porzione di sfera.

39 Rappresentazione delle quattro diverse possibilità che questi robot hanno per raggiungere i punti del loro volume di lavoro con ovvi vantaggi per la possibilità di evitare degli ostacoli eventualmente presenti nel campo di lavoro.

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41 L'abilità di raggiungere facilmente delle posizioni comunque collocate rispetto al basamento è riportata in figura che mostra come il robot possa scendere al di sotto della quota della base (a), estendersi verso l'alto (b) e infine prelevare dei pezzi alle sue spalle con una semplice rotazione attorno al secondo grado di libertà (c); a tutto ciò si aggiunge la possibilità di montarlo a soffitto (d) che permette di annullare il già ridotto ingombro in pianta. d

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43 Robot paralleli I robot paralleli hanno una struttura a catena cinematica chiusa; possono essere a 4 o a 6 bracci ognuno dei quali possiede giunti prismatici e sferici o rotoidali.

44 Robot SCARA Selective for Compilance Assembly Robot Arm Braccio robotizzato per assemblaggio con cedevolezza differenziata I robot SCARA sono automi a configurazione articolata orizzontale la cui struttura è del tipo in figura. Hanno due o tre giunti ad assi verticali e paralleli e si possono considerare derivanti da una combinazione tra robot cilindrico e articolato.

45 In un Robot SCARA gli snodi della spalla e del gomito sono verticali ed il polso 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 del Robot SCARA può variare profondamente in base al range di movimento dei primi due assi. Le applicazioni in cui gli SCARA si stanno imponendo sono quelle dell'assemblaggio e della movimentazione leggera

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47 adesso non vi resta che studiare!!!