Robotica: origini, fondamenti tecnologici e applicazioni industriali

Robotica

Origini e Sviluppo della Robotica

La robotica ha radici storiche che risalgono agli anni Venti, quando il drammaturgo cecoslovacco Karel Čapek coniò il termine "robot" dalla parola slava "robota", che significa lavoratore. Nella sua opera, i robot erano umanoidi meccanici creati con l'intento di assistere l'umanità, ma che si rivelarono antagonisti. Successivamente, Isaac Asimov contribuì a definire la robotica come scienza della costruzione dei robot, introducendo concetti fondamentali che hanno influenzato la percezione moderna di queste macchine.

Fondamenti della Robotica

Trasduttori e Sensori

La robotica si basa su vari componenti tecnologici, tra cui i trasduttori. È importante distinguere tra:

• Trasduttore di spostamento: rileva la posizione di un corpo mobile.
• Trasduttore di prossimità: rileva la presenza di un oggetto a una certa distanza.

Encoder e Motori

Un encoder incrementale, composto da un disco serigrafato e un fotosensore, misura la posizione angolare e la velocità di rotazione. I motori brushless, definiti ad autocommutazione, offrono vantaggi come assenza di manutenzione e alta efficienza.

Sistemi di Controllo

Un sistema di controllo ad anello chiuso include un sistema di attuazione, misurazione ed elaborazione, permettendo un feedback continuo per ottimizzare le operazioni.

Robotica Industriale

Definizione e Applicazioni

La robotica industriale si occupa della progettazione e costruzione di robot per applicazioni industriali. Il primo robot industriale, UNIMATE, è stato realizzato nel 1961, segnando un importante passo avanti nell'automazione industriale flessibile. Secondo l'ISO, un robot industriale è un manipolatore automatico, riprogrammabile e multiscopo, utilizzato in vari ambiti dell'automazione.Architettura dei Robot I robot industriali sono progettati in base ai compiti specifici da svolgere. Essi sono composti da:

• Struttura meccanica
• Sistema di azionamento
• Sistema di comando (unità di governo e sensori)

Questi componenti lavorano in sinergia per garantire che il robot possa eseguire operazioni complesse senza intervento umano diretto.

Conclusioni sulla Robotica Industriale

La robotica rappresenta un campo interdisciplinare in continua evoluzione, richiedendo aggiornamenti costanti e competenze diversificate. La comprensione dei principi fondamentali e delle applicazioni pratiche della robotica è essenziale per gli studenti e i professionisti che desiderano intraprendere una carriera in questo settore innovativo.Meccanica e Funzionalità dei Robot Industriali

Meccanica e Funzionalità dei Robot Industriali

Introduzione alla Struttura Meccanica

La struttura meccanica dei robot industriali può essere classificata in due categorie principali: catena cinematica aperta e catena cinematica chiusa. La prima è composta da elementi disposti in serie, mentre la seconda presenta elementi disposti in parallelo. Questo documento si concentrerà principalmente sulla catena cinematica aperta, che è meno complessa.

Nomenclatura e Componenti

La nomenclatura dei componenti della struttura meccanica e dei loro movimenti è definita dalla norma ISO 8373. Di seguito è riportata una tabella con i principali componenti e le loro definizioni:

Rif. Nome Italiano Nome Inglese Definizione Struttura Support 1 portante structure Struttura fissa o scorrevole a cui è fissato il braccio. 2 Spalla Shoulder Giunto di collegamento tra il braccio e la struttura portante. 3 Braccio Arm Catena cinematica che sostiene e muove un attuatore finale. 4 Avambraccio Forearm Parte del braccio che collega il braccio al polso. 5 Gomito Elbow Giunto che collega braccio e avambraccio. 6 Polso Wrist Organo a giunti rotanti tra il braccio e l'attuatore finale. 7 Mano Hand Organo di presa simile alla mano umana. 8 Pinza Gripper Organo di presa con funzioni di attuatore finale. 9 Dito Finger Parte della mano o della pinza per afferrare oggetti. 10 Attuatore finale End effector Parte finale del braccio che interagisce con l'oggetto. 11 Giunto Joint Meccanismo che consente movimenti relativi tra due elementi della catena cinematica. 12 Asse Axis Direzione di movimento lineare o asse di rotazione.Gradi di Libertà (GDL)

Gradi di Libertà (GDL)

Un corpo rigido, come un parallelepipedo, ha due GDL di traslazione nel piano e, per orientarsi, deve avere un GDL di rotazione. Pertanto, per posizionare e orientare un corpo nello spazio, sono necessari sei GDL: tre di traslazione e tre di rotazione. Questo è fondamentale per i robot che devono manipolare oggetti.

Tipi di Giunti

I giunti sono accoppiamenti meccanici che collegano due corpi rigidi e possono essere classificati in base ai movimenti consentiti:

• Rotoidali: 1 GDL di rotazione.
• Prismatici: 1 GDL di traslazione.
• Cilindrici: 2 GDL (rotazione e traslazione). . Sferici: 3 GDL di rotazione.
• Elicoidali: 2 GDL (rotazione e traslazione non indipendenti).

Il numero totale di GDL di un robot è la somma dei GDL di tutti i giunti, e in un robot a catena aperta, è pari al numero di motorizzazioni.Parametri Prestazionali

Parametri Prestazionali dei Robot

I robot devono soddisfare vari parametri prestazionali, tra cui:

Parametro Definizione Volume di lavoro Spazio raggiungibile dall'attuatore finale. Carico pagante Peso massimo trasportabile dal robot. Carico utile Carico pagante meno il peso dell'attuatore finale. Percorso Traiettoria nello spazio percorsa dall'attuatore finale. Distanza operativa Spostamento massimo realizzabile per ciascun asse di traslazione. Angolo operativo Angolo di rotazione massimo per ciascun asse di rotazione. Sbraccio Massima distanza raggiungibile dall'attuatore finale. Velocità massima Massima velocità raggiungibile nel moto di ciascun asse. Accelerazione massima Massima accelerazione ottenibile nel moto di ciascun asse. Precisione di posizionamento Ripetitività e accuratezza nel raggiungimento di punti programmati.

Conclusioni sulla Meccanica dei Robot

Per garantire un funzionamento efficace, i robot devono essere progettati con un numero adeguato di GDL, giunti di alta qualità e parametri prestazionali che soddisfino le esigenze specifiche delle applicazioni. La norma ISO 9283 fornisce linee guida per la presentazione delle caratteristiche e dei criteri di prestazione dei robot industriali.Classificazione Cinematica dei Robot

Classificazione Cinematica dei Robot

Introduzione alla Classificazione Cinematica

La classificazione cinematica dei robot si basa sulla loro struttura e sui movimenti, utilizzando coordinate per determinare la posizione dell'attuatore finale. I principali tipi di robot includono:

• Cartesiani
• Cilindrici
• Polari (o sferici)
• Articolati (o antropomorfi) SCARA
• ParalleliRobot Cartesiani

Robot Cartesiani

I robot cartesiani sono caratterizzati da tre giunti prismatici (PPP) e assi allineati con un sistema cartesiano. Il loro volume di lavoro è a forma di parallelepipedo e possono muoversi in due modi:

• Tre spostamenti singoli (x, y, z) in sequenza
• Tre spostamenti combinati per una traiettoria continua

Vantaggi e Svantaggi dei Robot Cartesiani

Vantaggi:

• Moti lineari dei tre assi
• Modello cinematico semplice
• Struttura rigida
• Elevata accuratezza di posizionamento Svantaggi:
• Volume di lavoro ristretto
• Giunti prismatici meno efficienti
• Sensibilità alla polvere
• Limitazioni nella velocità di lavoro

Applicazioni dei Robot Cartesiani

Utilizzati nella pallettizzazione, montaggio e carico-scarico di macchine utensili.Robot Cilindrici

Robot Cilindrici

I robot cilindrici utilizzano coordinate cilindriche e sono composti da un braccio orizzontale su un asse verticale, con un giunto rotante e due prismatici (RPP).

Vantaggi e Svantaggi dei Robot Cilindrici

Vantaggi:

• Buon volume di lavoro
• Accessibilità nelle cavità
• Capacità di carico elevate con attuazione idraulica Svantaggi:
• Retro non accessibile
• Giunti prismatici meno efficienti
• Difficoltà nella sigillatura delle guide

Applicazioni dei Robot Cilindrici

Impiego principale nella pallettizzazione e nell'asservimento di macchine utensili. Robot Polari

Robot Polari

I robot polari (RRP) sono simili ai cilindrici, ma sostituiscono lo spostamento verticale con l'inclinazione del braccio. Il loro volume di lavoro è una porzione di sfera.

Vantaggi e Svantaggi dei Robot Polari

Vantaggi:

• Posizionamento flessibile
• Capacità di raggiungere punti difficili

Svantaggi:

• Minore accuratezza di posizionamento
• Difficoltà nella visualizzazione delle relazioni spaziali

Applicazioni dei Robot Polari

Utilizzati in movimentazione pesante, saldatura a punti e sbavatura.Robot Articolati

Robot Articolati

I robot articolati (RRR) hanno almeno tre giunti rotanti e sono progettati per imitare il braccio umano. Offrono un'ampia manovrabilità e coprono grandi aree di lavoro.

Vantaggi e Svantaggi dei Robot Articolati

Vantaggi:

• Volume di lavoro ampio . Massima flessibilità
• Giunti più facili da sigillare Svantaggi:
• Modello cinematico complesso . Costi elevati

Applicazioni dei Robot Articolati

Utilizzati per movimentazione, montaggio, saldatura e verniciatura. Robot SCARA

Robot SCARA

I robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) hanno una configurazione articolata orizzontale e sono composti da due o tre giunti verticali.

Vantaggi e Svantaggi dei Robot SCARA

Vantaggi:

• Elevata velocità su piani orizzontali
• Modello cinematico semplice
• Basso costo

Svantaggi:

• Difficoltà nella manipolazione di pezzi bassi . Volume di lavoro limitato

Applicazioni dei Robot SCARA

Ideali per piccoli montaggi e pallettizzazione di piccoli pezzi.Robot Paralleli

Robot Paralleli

I robot paralleli hanno una catena cinematica chiusa e possono avere 4 o 6 bracci. Offrono elevata robustezza e velocità.

Vantaggi e Svantaggi dei Robot Paralleli

Vantaggi:

• Elevata rigidità
• Grande velocità e accelerazione

Svantaggi:

• Struttura complessa

Applicazioni dei Robot Paralleli

Utilizzati nella manipolazione, montaggio e finitura.Attuatori e Sistemi di Movimento nei Robot

Attuatori e Sistemi di Movimento nei Robot

Introduzione al Sistema di Azionamento

Il sistema di azionamento dei giunti è fondamentale per il funzionamento dei robot, poiché ogni asse richiede un azionamento per convertire i segnali d'uscita dall'unità di governo in movimenti meccanici. Questo processo avviene attraverso la trasformazione dell'energia disponibile in energia meccanica, che può essere di tipo pneumatica, idraulica o elettrica.

L'amplificatore di potenza gioca un ruolo cruciale, fornendo all'attuatore la potenza necessaria per il suo funzionamento.

Tipologie di Attuatori

Gli attuatori utilizzati nel sistema di azionamento sono classificati in base alla fonte energetica, come mostrato nella seguente tabella:

Fonte Energetica Tipo di Attuatore Modello Pneumatica Cilindro A semplice e a doppio effetto, A stelo passante, Senza stelo, A più posizioni Idraulica Motore A palette, A ingranaggi, A pistoni, A membrana, A turbina Elettrica Attuato re A paletta, A pistone-cremagliera, Cilindro rotante Ibrido Motore C.A. Sincrono e asincrono, Elettromagnete