CENNI STORICI 1920: Viene introdotto per la prima volta nel 1920 dal commediografo Karel Capek il termine “ROBOT” che deriva dal ceco "ROBOTA" (lavoratore), 1941: Viene pubblicato Ragione (Reason), un racconto di Isaac Asimov divenuto celebre perché gettò 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.

CENNI STORICI I primi dispositivi robotici sono stati introdotti negli anni 50 per applicazioni di teleoperazione (materiale radioattivo e altro di pericoloso) Successivamente si sono diffusi nei più svariati ambiti come per esempio in medicina; agricoltura; applicazioni in ambienti ostili (sottomarine, spaziali,…); sorveglianza, etc.

ESEMPI DI UTILIZZAZIONE DEI ROBOT IN CAMPI DIVERSI DALL’INDUSTRIA: Dyson: Aspira la polvere e lava i pavimenti Applicazione spaziale

I ROBOT INDUSTRIALI Il processo di modernizzazione e la necessaria rincorsa alla competitività che ha coinvolto l’industria meccanica in contemporanea ai recenti sviluppi delle unità di controllo elettroniche hanno fatto sì che oggi i robot siano molto diffusi nell’ambito dell’automazione industriale (ambito in cui andremo ad approfondire le caratteristiche e i modi di funzionamento dei robot (ROBOT INDUSTRIALI))

DEFINIZIONE DI ROBOT INDUSTRIALE “Manipolatore riprogrammabile, multifunzionale, con controllo di posizione a piu’ assi progettato per muovere materiali, pezzi, utensili o attrezzi speciali attraverso movimenti variabili, programmati per l’esecuzione di una varietà di lavori ed operazioni tecnologiche.”

VANTAGGI RELATIVI ALL’IMPIEGO DEI ROBOT INDUSTRIALI A fronte di un notevole investimento iniziale necessario per l’installazione, la programmazione e la manutenzione di impianti robotizzati, l’adozione dei robots porta a notevoli vantaggi per l’azienda riassumibili nei seguenti: MIGLIORAMENTO DELLA QUALITA’ DEL PRODOTTO AUMENTO DELLA PRODUTTIVITA’ MIGLIORAMENTO DELL’IMMAGINE DELL’AZIENDA POSSIBILITA’ DI LAVORARE IN AMBIENTI OSTILI

STRUTTURA DEI ROBOTS ALIMENTAZIONE : è la sorgente esterna di potenza (batterie, alimentazione di rete, ecc.). UNITA’ DI CONTROLLO : Si occupa di controllare i movimenti del robot impartendo ordini e attuando il feedback tra i segnali dei sensori relativi ai vari movimenti attuati e il controllo stesso. INTERFACCIA UTENTE/ROBOT : serve per programmare il robot. MANIPOLATORE: Costituito dalla parte meccanica e da tutti gli altri organi, in genere elettrici, idraulici o pneumatici che attuano il movimento del robot.

UNITÀ DI CONTROLLO E’ costituita da un robusto armadio che contiene il cuore del robot ovvero tutta la parte elettronica di comando

INTERFACCIA UTENTE/ROBOT Programmare un robot significa insegnargli, passo dopo passo, cosa fare per portare a termine il suo compito. Perciò spesso i costruttori scelgono degli strumenti di programmazione adatti al personale di officina che può non avere familiarità con l’utilizzo di PC o particolari linguaggi di programmazione.

CONSOLLE DI PROGRAMMAZIONE

INTERFACCIA UOMO/ UTENTE UNITÀ DI CONTROLLO E INTERFACCIA UOMO/ UTENTE

COMPONENTI E STRUTTURA DEI ROBOTS PARTE MECCANICA: MANIPOLATORE Costituito da un basamento, da un certo numero di elementi detti link che sono connessi tra loro tramite giunti cinematici detti joint, e di un organo terminale (end effector) GOMITO BRACCIO SPALLA AVANBRACCIO POLSO CORPO MANO (END EFFECTOR) BASAMENTO

(D.O.F. “Degree Of Freedom"). TIPI DI GIUNTO e GRADI DI LIBERTA’ Il grado di libertà rappresenta il numero di movimenti (o assi) di cui il robot è dotato (D.O.F. “Degree Of Freedom"). Il numero dei giunti di un manipolatore corrisponde al suo grado di libertà n. GIUNTO PRISMATICO: consente il moto lineare relativo tra i due links che collega GIUNTO ROTOIDALE: consente il moto rotatorio relativo tra i due links che collega Di solito vengono indicati con: Il numero e la tipologia dei links e dei joints nonché la loro successione definiscono la geometria del robot

VOLUME UTILE DI LAVORO E’ costituito dall’insieme dei punti cinematicamente raggiungibili dall’estremita’ operativa del robot.

Tipologie strutturali dei manipolatori Diverse tipologie geometriche vengono adottate per la costruzione di un manipolatore: Configurazione cartesiana Configurazione a portale n Configurazione cilindrica n Configurazione polare n Configurazione antropomorfa SCARA Strutture speciali

CONFIGURAZIONE CARTESIANA Nella sua configurazione di base presenta 3 gradi di libertà realizzati tramite tre giunti prismatici Le coordinate cartesiane definiscono un punto nello spazio tramite tre coordinate lineari. Il volume di lavoro è costituito da un parallelepipedo

CONFIGURAZIONE A PORTALE UTILIZZATI PER PALLETIZZAZIONE E MONTAGGIO

CONFIGURAZIONE CILINDRICA Nella sua configurazione di base presenta 3 gradi di libertà realizzati tramite un giunto rotoidale e due prismatici Il volume di lavoro è costituito da un cilindro (Le coordinate cilindriche definiscono un punto nello spazio tramite due coordinate lineari e una angolare).

CONFIGURAZIONE POLARE Nella sua configurazione di base presenta 3 gradi di libertà realizzati tramite 2 giunti rotoidali e uno prismatico Il volume di lavoro è costituito da una sfera (Le coordinate sferiche definiscono un punto nello spazio tramite due coordinate angolari e una lineare).

CONFIGURAZIONE ARTICOLATA Nella sua configurazione di base presenta da 3 a 6 gradi di libertà realizzati tramite giunti rotoidali Quando presenta un numero di gradi di libertà superiore a 5 viene detto ANTROPOMORFO (a forma d’uomo)

ROBOT ANTROPOMORFI

ROBOT ANTROPOMORFI

CONFIGURAZIONE SCARA ovvero Selective Compliant Assembly Robotic Arm (braccio robotico di assemblaggio a cedevolezza selettiva) Cinematicamente sono costituiti da tre giunti rotoidali rotanti attorno a tre assi paralleli ed un movimento lineare lungo l’asse verticale. Sono utilizzati in operazioni precise come per esempio l’inserimento di un perno in un foro. Questi due assi realizzano la cosidetta cedevolezza selettiva (la struttura è cedevole solo su un piano ortogonale alla direzione di montaggio

Riassunto principali tipologie strutturali e dei manipolatori e loro utilizzo

SISTEMI PER INCREMENTARE IL VOLUME UTILE DI UN ROBOT IMPLEMENTAZIONI CINEMATICHE SULL’END EFFECTOR IMPLEMENTAZIONE ASSI (FINO A POCHE DECINE DI METRI) RICORSO A ROBOT MOBILI

IMPLEMENTAZIONI CINEMATICHE SULL’END EFFECTOR Rollio: movimento di rotazione del polso intorno al suo asse di simmetria. Beccheggio: movimento di rotazione del polso intorno ad un asse orizzontale e perpendicolare all’asse del braccio. Imbardata: movimento di rotazione del polso intorno ad un asse perpendicolare all’asse di rollio e a quello di beccheggio. BECCHEGGIO IMBARDATA ROLLIO

CONTROLLATI IN CONTINUO IMPLEMENTAZIONE ASSI CONTROLLATI IN CONTINUO ON/OFF

AUTOMATIC GUIDED VEHICLES Il carrello a guida automatica AGV, automatic guide vehicle, dal punto di vista strutturale e' molto simile ad un carrello elettrico tradizionale. La differenza sostanziale e' nell'elettronica o meglio in tutti quegli apparecchi che servono a definire la posizione del carrello per pilotarlo lungo il percorso e per fargli compiere le operazioni di carico e scarico delle merci . Le situazioni nelle quali l'AGV eccelle sono quelle dove si presentano azioni ripetitive, continue e molto simili tra loro o dove non e' richiesta una eccessiva discrezionalità d'intervento. Un'altra ragione convincente puo' essere conseguente al tipo di AMBIENTE di lavoro ( se l'ambiente e' nocivo per il lavoratore).

AUTOMATIC GUIDED VEHICLES: LA GUIDA AD INDUZIONE E' il sistema piu' usato e più collaudato. Definito il tragitto, si installa a terra una traccia sotto la pavimentazione con un cavo elettrico per trasmettere i dati dall'unità di controllo. Alternativamente può essere applicata una banda adesiva. L'emissione magnetica emessa dal cavo agisce su un servocomando che stabilisce la traiettoria del carrello.

AUTOMATIC GUIDED VEHICLES: LA GUIDA LASER In questo caso e' inserito sul carrello un dispositivo di emissione laser che , riflesso su specchi posti lungo il tragitto da percorrere , consente al carrello di leggere la posizione in cui si trova e confrontarla con il percorso o con i percorsi memorizzati. Il costo del carrello in questo caso aumenta , diventando piu' flessibile ed adeguato a mutamenti di percorso frequenti.

AUTOMATIC GUIDED VEHICLES: LA GUIDA INERZIALE L'AGV può essere attrezzato con sistemi odometrici (misurano il numero di giri delle ruote e l’angolo di sterzata). Per correggere la traiettoria lungo il percorso vengono installati riferimenti di piccolissime dimensioni che vengono rilevati tramite triangolazione ottenuta tramite un fascio laser emesso da una testa rotante posta sulla sommità del carrello.

AUTOMATIC GUIDED VEHICLES: LE COMUNICAZIONI E LA SICUREZZA La velocità degli AGV e' dettata da norme europee (pr EN 1525) ed e' intorno ai 4 km orari. Vengono montati dispositivi per evitare gli scontri accidentali lungo il percorso come per esempio sensori a infrarossi e ultrasuoni

AUTOMATIC GUIDED VEHICLES: GESTIONE DEL TRAFFICO Assenza di collisioni basato su “controllo in avanti” (forward sensing control) sui veicoli mobili Assenza di stalli Il comportamento del sistema è difficilmente predicibile Il controllo è complesso Le tempificazioni delle operazioni di manipolazione e degli istanti di partenza dei veicoli sono casuali Dipendenza da vincoli spaziali Unload Area AGV1 Unload Area AGV2 Load Area AGV1 Come caso di studio si è affrontata la modellazione di un sistema di produzione, costituito da una coppia di veicoli a guida automatica e un insieme di postazioni di lavoro (CLICK), equipaggiate con bracci meccanici responsabili delle operazioni di carico scarico dei materiali. I veicoli AGV attendono in una docking station (CLICK) la ricezione del comando di moto, trasmesso dal controllore, e si occupano del trasporto dei materiali tra le postazioni, lungo traiettorie prestabilite (CLICK). Ad ogni postazione raggiunta devono attendere un tempo non deterministico, necessario alle operazioni di carico-scarico. La gestione del traffico in questo tipo di sistemi, deve tenere conto dei vincoli di correttezza già discussi. Con la tecnica del controllo sensoriale in avanti, si evita a priori l’eventualità di collisioni, tuttavia esiste la possibilità che i due veicoli rimangano in stallo per un tempo indefinito, se ciascuno rileva l’altro nel proprio campo d’allerta. La complessità del controllo, la presenza di tempificazioni non deterministiche e la dipendenza da vincoli spaziali rendono il comportamento del sistema difficilmente prevedibile e giustificano l’adozione di tecniche di analisi. Load Area AGV2 AGV2 AGV1 Docking Station

AUTOMATIC GUIDED VEHICLES: SISTEMI DI SICUREZZA PER AGV FORWARD SENSING CONTROL

AUTOMATIC GUIDED VEHICLES: SISTEMI DI ESPLORAZIONE CON CONTROLLO REMOTO CONTROLLO DELLA DISTANZA RECIPROCA DELLE UNITÀ PER IL MANTENIMENTO DELLA CONNESSIONE WIRELESS COL SISTEMA DI CONTROLLO

ALTRE CARATTERISTICHE FONDAMENTALI Peso: è dato dal peso totale del robot con o senza il controllore. Tipologia di installazione: è il modo in cui il robot può essere installato (a pavimento, a soffito, a parete) Velocità massima: sono le massime velocità raggiungibili dai vari assi. Tipo di azionamento: insieme costituito dall’attuatore, dal suo comando e dal sistema di trasmissione del moto. Carico utile (pagante): è il carico massimo totale, costituito dall'organo di presa e dall’ oggetto trasportato, che il manipolatore è in grado di movimentare senza ripercussioni sulle prestazioni. Coppia massima al polso: è il massimo valore della coppia sopportabile dai giunti del polso senza ripercussioni sulle prestazioni. Inerzia massima al polso: massima inerzia sopportabile dal polso senza ripercussioni sulle prestazioni. Precisione: capacità di raggiungere un punto assegnato nello spazio di lavoro con un errore minimo. Ripetibilità: capacità di raggiungere una stessa posizione ripetendo gli stessi movimenti.

TIPO DI AZIONAMENTO AZIONAMENTO ELETTRICO: E’ il più diffuso grazie alle sue doti di precisione e controllabilità (motori brushless (minore massa, minor manutenzione) o motori a c.c.) AZIONAMENTO PNEUMATICO: Utilizzato solo nei casi in cui il manipolatore deve movimentare carichi molto leggeri (difficoltà nel controllo vista la comprimibilità dell’aria) AZIONAMENTO IDRAULICO: Utilizzato solo nei casi in cui il manipolatore deve movimentare carichi molto ingenti.

PARAMETRI CARATTERISTICI

MASSIMOCARICO DINAMICO A2 MASSIMOCARICO DINAMICO A1 DIAGRAMMI DI CARICO P(Kg) MASSIMOCARICO STATICO ROBOT COPPIA STATICA MAX ASSE 1 COPPIA STATICA MAX ASSE 2 MASSIMOCARICO DINAMICO A2 INERZIA MAX ASSE 2 MASSIMOCARICO DINAMICO A1 INERZIA MAX ASSE 1 L. ASSE 2 L(mm) L. ASSE 1

VELOCITA’ DI MOVIMENTAZIONE ATTUALMENTE LE MASSIME VELOCITA’ RAGGIUNGIBILI DA UN ROBOT INDUSTRIALE SONO: 2/3 m/sec per i giunti prismatici 500° /sec per i giunti rotazionali v v.max distanza

PRECISIONE E RIPETIBILITA’ L’accuratezza (o precisione) di un robot è definita dal massimo errore di posizione che si ottiene quando si muove la punta del robot in un punto assegnato nello spazio (dipende dalla risoluzione spaziale del robot) La ripetibilità definisce la capacità del robot di ritornare su un punto dello spazio con identici movimenti. Errore di ripetibilità Errore di posizionamento

IMPIEGO DEI ROBOT INDUSTRIALI PALLETTIZZAZIONE PACKACING ASSERVIMENTO ALLE M.U. ASSERVIMENTO LINEE SALDATURA FINITURA SUPERFICIALE PICKING TAGLIO VERNICIATURA ASSERVIMENTO A REPARTI DI FONDERIA OPERAZIONI DI MISURA O CONTROLLO DIMENSIONALE

PALLETTIZZAZIONE

PACKACING

PACKACING

ASSERVIMENTO M.U.

ASSERVIMENTO LINEE

SALDATURA

SALDATURA

SALDATURA

SALDATURA

FINITURA SUPERFICIALE

FINITURA SUPERFICIALE

PICKING Esempio di struttura speciale: a cinematica parallela

VERNICIATURA

FONDERIA

CONTROLLO DIMENSIONALE

CONFIGURAZIONE ANTROPOMORFA CARICO STATICO MAX AMMESSO 10 Kg ESEMPI DI ROBOT INDUSTRIALI: ABB IRB 2000 CONFIGURAZIONE ANTROPOMORFA A 6 GRADI DI LIBERTA’ CARICO STATICO MAX AMMESSO 10 Kg RIPETIBILITA’ +/-0.1 mm

ESEMPI DI ROBOT INDUSTRIALI: ABB IRB 2000

ESEMPI DI ROBOT INDUSTRIALI: ESATROLL C500-2N Il sistema prevede la movimentazione di rack contenenti circuiti stampati completi di componenti: viene quindi realizzata una connessione intelligente fra macchine di lavorazione relative al medesimo ciclo produttivo. Il veicolo è in grado di movimentare contemporaneamente due rack posti a due livelli distinti. I rack si muovono su nastri trasportatori. Un sistema di supervisione controlla l'intero ciclo produttivo ed invia i veicoli alla macchina pronta ad essere alimentata. Particolarmente accurati i sensori di controllo e protezione: laser scanner anteriore, infrarossi posteriori, fasce sensibili (bumper) posteriormente e lateralmente. Il veicolo convive in sicurezza col personale dell'azienda