UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BERGAMO CORSO DI MECCANICA DEI ROBOT INTRODUZIONE 02 Normativa (UNI EN ISO 8373) Robot di manipolazione industriale robot manipolatore a 3 o più gdl, a comando automatico, programmabile, multiscopo, mobile o no, destinato ad essere utilizzato in applicazioni di automazione industriale programmabile: i movimenti programmati o le funzioni ausiliarie possono essere cambiate senza modifiche fisiche multiscopo: può essere adattato a differenti applicazioni con alterazioni fisiche Manipulating industrial robot-robot: automatically controlled, reprogrammable, multipurpose manipulator programmable in three or more axes. For use in industrial automation applications. Manipolatore Parte meccanica in genere composto da una serie di segmenti (link) connessi con accoppiamenti di rotazione e/o scorrimento (giunti rotoidali e/o prismatici) 7 1
Schema di un Robot Industriale Il robot è comandato da una unità di governo (computer) che elabora la strategia di comando e controllo in base agli ordini da eseguire e ai dati raccolti da un certo numero di sensori. In generale ogni gdl (motore) ha un sensore di posizione e velocità In altri casi vi sono anche sensori tattili sulla pinza, sensori di forza o sistemi di visione. La strategia di comando dovrà tener conto di ciò che succede nello spazio circostante per far fronte ad eventuali imprevisti. attuatori ROBOT manipolatore + pinza s e n s o r i Ambiente Unità di governo Unità di programmazione 8 Schema di un Robot Industriale - 2 Il controllore del robot generalmente conosce : un modello del robot e dell'ambiente il compito da svolgere (programma di movimento fornito dall operatore) un certo numero di strategie di comando (ad esempio come muoversi tra due punti). Attuatori utilizzati in robotica: Elettrici: motori Brushless (molto frequenti) motori in Corrente Continua motori Passo-Passo A fluido: azionamenti idraulici azionamenti pneumatici 9 2
Terminologia Struttura Meccanica Interfaccia meccanica -parte terminale del robot a cui è fissato il dispositivo d'estremità dispositivo di estremità (organo terminale -end-effector) dispositivo che può essere fissato/rimosso all interfaccia meccanica. Permettere al robot di eseguire il compito braccio parte di posizionamento (generalmente a 3 gdl) che posiziona il centro del polso (assi principali) polso - serve a orientare l'interfaccia meccanica e/o il dispositivo d'estremità (assi secondari) 10 Polso sferico Nei robot insustriali a 6 gdl generalmente il polso è sferico: tre gradi di libertà rotoidali gli assi di rotazione concorrono in un unico punto: centro del polso 11 3
Organo terminale End-Effector Organo montato all interfaccia del robot Definito in relazione al compito che il robot deve eseguire pinza (gripper) per afferrare e tenere un pezzo, ad attuazione: pneumatica a ventose elettrica Tool (utensile) o dispositivo connesso al polso per: lavorazioni meccaniche saldatura verniciatura 12 Struttura Meccanica - Componenti Base : primo membro della catena articolata Membri o links : corpi che compongono il manipolatore Giunto: connessione tra 2 links Asse: s'intende l'insieme di giunto e del suo attuatore 13 4
Tipologia di Giunti Giunto Rotoidale (R): permette la rotazione attorno all asse del giunto. Permette 1 gld relativo Giunto Prismatica (P): permette la traslazione secondo un asse definito dalla geometria del giunto. Permette 1 gld relativo Giunto cilindrico (C): rotazione e traslazione indipendenti. Permette 2 gld. Giunto Sferico (S): tre rotazioni attorno ad un punto Permette 3 gld. Giunto Universale (U): combinazione di 2 giunti rotoidali con assi che si intersecano. Permette 2 gld. 14 Una possibile schematizzazione dei giunti 15 5
Catene cinematiche Catena cinematica chiusa: ogni link è connesso ad un altro link da almeno 2 distinte catene cinematiche. I membri della catena formano un anello Catena cinematica aperta: la sequenza dei link non forma anelli. Catena cinematica ibrida: catena cinematica composta da catene aperte e chiuse. seriale parallela Ibrida 16 Gradi di libertà e mobilità Gradi di libertà (gdl-dof): descrivono il compito del robot. Mobilità di un robot (gdm-dom): numero dei parametri indipendenti necessari per definire la configurazione del sistema. Numero di motori Per evitare confusioni Gradi di libertà: coordinate ai giunti che descrivono il moto del robot. 17 6
Principali Architetture Architetture a catena cinematica aperta robot cartesiano robot cilindrico robot polare o sferico robot antropomorfo (articolato) robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) Architetture a catena cinematica parallela Architetture a catena cinematica ibrida (mista) seriale parallela Ibrida 18 Posizione e orientamento L architettura di robot a catena cinematica aperta o mista si può pensare composta da 2 parti: I primi membri (il braccio) hanno lo scopo principale di posizionare l End Effector. Il sistema a valle (il polso) ha lo scopo principale di orientare l organo terminale. Nota: la classificazione dei robot seriali si basa sulla catena cinematica del braccio. posizionamento orientamento 19 7
Cartesiano 3P o PPP Struttura del braccio composta da 3 coppie prismatiche (3P) con assi ortogonali. Possono essere a montante o portale. ottime caratteristiche di rigidezza meccanica L accuratezza di posizionamento del polso non varia nello spazio di lavoro. Utilizzato per trasporto e assemblaggio 20 Cartesiano 3P Filmato Robot Cartesiano (demo fiera) 21 8
Robot Cilindrico - RPP Struttura meccanica comprende 1 coppia rotoidale (R) e 2 coppie prismatiche (P) ortogonali. Coordinate cilindriche. Buone caratteristiche di rigidezza meccanica. L accuratezza di posizionamento si riduce all aumentare dello sbraccio orizzontale Utilizzato per trasporto di oggetti (anche pesanti) 22 Robot Cilindrico - RPP Filmato Robot Cilindrico (demo pick and place) 23 9
Robot Sferico o Polare - RRP Catena cinematica formata da 2 coppie rotoidali (R) e 1 coppia prismatica (P). Coordinate sferiche. Discrete caratteristiche di rigidezza meccanica. Accuratezza di posizionamento cala al crescere dello sbraccio Operazioni di lavorazione 24 Robot Antropomorfo (Articolato) RRR Robot la cui struttura comprende 3 coppie rotoidali (3R). L asse della prima coppia rotoidale è generalmente verticale ABB Filmato Asimo (Honda) FANUC KUKA 25 10
Robot Antropomorfo (Articolato) RRR Filmato Robot Articolato Tipica applicazione Industriale! 26 Robot Antropomorfo 4 gdl 27 11
Robot Antropomorfo 4 gdl 28 Robot Antropomorfo 5 gdl 29 12
Robot Antropomorfo 5 gdl 30 Robot SCARA - RRP (Selective Compliance Assembly Robot Arm) Robot con due assi rotoidali (R) paralelli all asse prismatico (P). Cedevolezza a carichi orizzontali Accuratezza di posizionamento del polso si riduce al crescere della distanza del primo giunto Manipolazione e assemblaggio 31 13
Robot SCARA RRP (Selective Compliance Assembly Robot Arm) Filmato Robot SCARA Motoman (demo fiera) 32 PKM Parallel Kinematics Machines Robot a Cinematica Parallela Una macchina a cinematica parallela è un meccanismo a catena chiusa nel quale l end effector è collegato alla base da almeno due catene cinematiche (Merlet) 33 14
PKM Parallel Kinematics Machines Macchina di Gough per prova gomme Dunlop Piattaforma di Stewart 6DOF (per simulatore di volo, 1965) 34 Confronto tra seriali e PKM: Vantaggi e svantaggi Carico ripartito fra le catene cinematiche Rigidezza strutturale elevata Inerzie ridotte (motori sulla base) Prestazioni dinamiche elevate Progettazione modulare Elevata accuratezza di posizionamento Rapporto sfavorevole fra spazio di lavoro e dimensioni del robot Limitate rotazioni Singolarità nello spazio di lavoro Rischio di interferenze Difficoltà di controllo 35 15
Una rapida classificazione Hexaglide like. Gambe a lunghezza fissa, giunti della base mobili su guide Stewart-Gough platform like. Gambe a lunghezza variabile. Delta like. 36 Esapodi Filmato Esapode 37 16
Hexa/Tria- glide Hexaglide IWF (Institute of Machine Tools and Manufacturing) - Zurich PKM 3dof Lab. Meccatronica KmR 38 Delta Filmato Delta ABB 39 17
Architetture Ibride Delta ABB Tricept Filmato Tricept 40 Sistemi di coordinate UNI EN ISO 9787 Sistema generale (detto anche assoluto o del mondo): sistema cartesiano solidale alla terra o al pavimento Sistema di coordinate di base: solidale alla base del robot. Sistema di coordinate dell'interfaccia meccanica e il sistema di coordinate dell'utensile. Sistema di coordinate dei giunti: sistema di coordinate non cartesiane che descrive il movimento dei giunti. 41 18
Geometria e cinematica (1) Posa: posizione e l'orientamento dell interfaccia meccanica o del dispositivo d'estremità del robot. Posa di comando (o posa comandata): la posa da raggiungere richiesta al robot. Posa di risposta (o posa raggiunta): posa effettivamente raggiunta dal robot in risposta alla posa di comando. 42 Geometria e cinematica (2) Punto di centro utensile: punto (effettivo o virtuale) del dispositivo d'estremità. (TCP Tool Centre Point). Traiettoria: luogo dei punti percorso da un determinato punto del robot (generalmente TCP). 43 19
Ripetibilità ed accuratezza UNI EN ISO 9283-30/09/1999 - ROBOT INDUSTRIALI DI MANIPOLAZIONE - CRITERI DI PRESTAZIONE E RELATIVI METODI DI PROVA. Accuratezza (precisione ): distanza tra il punto teorico da raggiungere (posa comandata) e il baricentro dei punti effettivamente raggiunti in diverse ripetizioni (posa di risposta). si misura in millimetri Ripetibilità : misura la dispersione delle pose di risposta rispetto alla loro media (precisione con cui si torna in un dato punto) 44 Problema cinematico diretto Consiste nel determinare la posa del dispositivo d'estremità nel riferimento di base (o in quello assoluto) quando siano note le coordinate ai giunti. Giunti End-Effector Q, Q, Q S, S, S Cinematica Diretta In altre parole consiste nel determinare il movimento del dispositivo d'estremità noti i movimenti dei motori 45 20
Problema cinematico inverso Determinare le coordinate ai giunti quando sia nota la posa del dispositivo d'estremità. Consiste nel determinare il movimento da assegnare ai giunti per ottenere il movimento desiderato dell'organo terminale End-Effector Giunti S, S, S Q, Q, Q Cinematica Inversa Configurazioni singolari: configurazioni in cui il robot presenta difficoltà di movimento in alcune direzioni e il problema non può essere risolto. 46 Problema cinematico diretto L'analisi di velocità e accelerazione può essere eseguita derivando rispetto al tempo il sistema di equazioni S = F(Q): J(Q) matrice jacobiana del sistema: Facile per i seriali 47 21
Problema cinematico inverso Occorre calcolare il vettore Q = G(S) assegnato il vettore S. Problema generalmente non lineare Note le Q, se lo jacobiano è invertibile, si ottiene: 48 Problema dinamico diretto e inverso Con problema dinamico diretto si intende il calcolo dell'effettivo movimento del robot sotto l effetto delle azioni motrici degli attuatori e delle forze esterne applicate, tenendo conto delle caratteristiche dinamiche (masse, momenti di inerzia) dei membri del robot. Con problema dinamico inverso si intende invece il calcolo delle azioni motrici necessarie affinché il sistema si muova come desiderato. 49 22
Analisi dinamica diretta e inversa Si ottiene: M (Q) matrice delle masse: simmetrica, definita positiva e dipendente dalla posizione del robot. V ( Q, Q ) vettore delle forze d'inerzia (centrifughe e di Coriolis) dipende da Q e da Q. Vettore quadratico nelle velocità. G(F,Q) vettore delle forze. Dipende da Q e dalle forze esterne applicate (contiene anche le forze dovute alla gravità). Scomponendo G in due termini, azioni motrici e altre forze: 50 Alcuni riferimenti Bibliografici LEGNANI G. (2003), ROBOTICA INDUSTRIALE, CAE, CASA EDITRICE AMBROSIANA. SCIAVICCO L, SICILIANO B.(2000), ROBOTICA INDUSTRIALE- - MODELLISTICA E CONTROLLO DI MANIPOLATORI, MCGRAW-HILL. CRAIG, J.J. (2001), INTRODUCTION TO ROBOTICS - MECHANICS AND CONTROL, ADDISON-WESLEY SIRI - ASSOCIAZIONE ITALIANA ROBOTICA E AUTOMAZIONE WEBPAGE: WWW.ROBOSIR.IT MERLET, J.P (2000) PARALLEL ROBOTS, KLUWER ACCADEMIC PUBLISHER. SICILIANO B., VILLANI L., ROBOT FORCE CONTROL, KLUWER ACADEMIC PUBLISHER. 51 23
Robot industriali alcune norme ISO UNI EN ISO 8373-30/09/1997 - ROBOT INDUSTRIALI DI MANIPOLAZIONE. VOCABOLARIO (IN INGLESE E FRANCESE). UNI EN ISO 9283-30/09/1999 - ROBOT INDUSTRIALI DI MANIPOLAZIONE - CRITERI DI PRESTAZIONE E RELATIVI METODI DI PROVA. UNI EN ISO 9409-1 - 30/06/1998 - ROBOT INDUSTRIALI DI MANIPOLAZIONE - INTERFACCE MECCANICHE - FLANGE (FORMA A). UNI EN ISO 9409-2 - 30/06/1998 - ROBOT INDUSTRIALI DI MANIPOLAZIONE - INTERFACCE MECCANICHE - ALBERI (FORMA A). UNI EN ISO 9787-31/10/1999 - ROBOT INDUSTRIALI DI MANIPOLAZIONE - SISTEMI DI COORDINATE E NOMENCLATURE DI MOVIMENTI. UNI EN ISO 9946-31/10/1999 - ROBOT INDUSTRIALI DI MANIPOLAZIONE - PRESENTAZIONE DELLE CARATTERISTICHE. ISO 10218 1992 SICUREZZA 52 24