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Introduzione alla Robotica

Bruno SICILIANO

PRISMA Lab Dipartimento di Informatica e Sistemistica Università degli Studi di Napoli Federico II

siciliano@unina.it www.prisma.unina.it

L’era dei robot Introduzione alla Robotica 2/58

Robot (robota = lavoro esecutivo)

Una delle grandi aspirazioni dell'uomo è stata quella di infondere la vita nei suoi artefatti (mitologia)

L’immaginario collettivo è portato a vedere nel robot un androide che parla e cammina, vede e sente, con gesti e reazioni di tipo umano (fantascienza)

Il robot è definito come una qualsiasi macchina in grado di svolgere dei compiti in maniera automatizzata per sostituire o migliorare il lavoro umano (realtà)

Robot Introduzione alla Robotica 3/58

Un precursore

La metafora di “Tempi Moderni”

Introduzione alla Robotica 4/58

Evoluzione

BISOGNO di macchine

utili

Robotica industriale

Robotica per l’esplorazione

Robotica personale

Applicazioni manifatturiere

Applicazioni spaziali

Applicazioni mediche Robotica di

servizio

1960-1980

1980-2000

1990-2010

2000-2020 1200

1500 1550

1750

1800

1920

2005

Introduzione alla Robotica 5/58

Robotica umanoide

SOGNO dell’Uomo di replicare sé stesso

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Un viaggio lungo 50 anni Introduzione alla Robotica 6/58

Definizione

Robotica: connessione intelligente tra percezione e azione

Introduzione alla Robotica 7/58

CONTROLLO ATTUATORI

SENSORI

dati aptici governo braccio/mano

comandi motori

dati visuali

Componenti di un robot

Sistema meccanico

Organi di locomozione (ruote, cingoli, gambe meccaniche)

Organi di manipolazione (braccia meccaniche, utensili, mani artificiali)

Sistema di attuazione

Anima le componenti meccaniche del robot

Controllo del moto (servomotori, azionamenti e organi di trasmissione)

Sistema sensoriale

Sensori propriocettivi (stato interno del robot)

Sensori esterocettivi (stato esterno dell’ambiente)

Sistema di governo

Esecuzione dell’azione nel rispetto della pianificazione del compito e dei vincoli imposti da robot e ambiente

Adozione del principio del feedback (retroazione)

Impiego di modelli del sistema robotico

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Robot manipolatori

La struttura meccanica di un robot manipolatore consiste in un insieme di corpi rigidi (bracci) interconnessi tra di loro per mezzo di articolazioni (giunti)

Struttura portante che assicura mobilità

Polso che conferisce destrezza

Organo terminale che esegue il compito per cui il robot è utilizzato

Struttura meccanica a catena cinematica aperta o a catena cinematica chiusa

Mobilità (giunti prismatici o rotoidali)

Gradi di libertà

3 per la posizione + 3 per l’orientamento

Spazio di lavoro (porzione dell’ambiente circostante a cui può accedere l’organo terminale)

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Manipolatore cartesiano

Tre giunti prismatici

Ottime caratteristiche di rigidezza meccanica

Precisione di posizionamento del polso costante nello spazio di lavoro

Operazioni di trasporto e assemblaggio

Azionamenti elettrici (talvolta pneumatici)

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Manipolatore a portale

Manipolazione di oggetti di dimensione e peso rilevanti

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Manipolatore cilindrico

Un giunto rotoidale e due prismatici

Buone caratteristiche di rigidezza meccanica

La precisione di posizionamento del polso si riduce al crescere dello sbraccio orizzontale

Operazioni di trasporto di oggetti anche di peso rilevante

Azionamenti idraulici (o elettrici)

Introduzione alla Robotica 12/58

Manipolatore sferico

Due giunti rotoidali e uno prismatico

Discrete caratteristiche di rigidezza meccanica

La precisione di posizionamento del polso si riduce al crescere dello sbraccio radiale

Operazioni di lavorazione

Azionamenti elettrici

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Manipolatore SCARA

Due giunti rotoidali e uno prismatico

Elevata rigidezza a carichi verticali e cedevolezza a carichi orizzontali

Selective Compliance Assembly Robot Arm

La precisione di posizionamento del polso si riduce al crescere della distanza del polso stesso dall’asse del primo giunto

Manipolazione di piccoli oggetti

Azionamenti elettrici

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Manipolatore antropomorfo

Tre giunti rotoidali

Struttura più destra

Precisione di posizionamento variabile

Applicazioni molteplici

Azionamenti elettrici

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Manipolatore parallelo

Più catene cinematiche che connettono la base all’organo terminale

Elevata rigidezza

Velocità operative molto elevate

Spazio di lavoro ristretto

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Manipolatore ibrido parallelo−seriale

Struttura portante parallela

Cinematica seriale

Generazione di forze elevate lungo le componenti verticali

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Polso e organo terminale

Polso sferico

Giunti rotoidali che determinano l’orientamento dell’organo terminale

Caratteristiche di compattezza e destrezza

Disaccoppiamento tra posizione e orientamento

Organo terminale

Specificato in relazione al compito che il robot deve eseguire

Pinza (trasporto)

Utensile o dispositivo specializzato (lavorazione e assemblaggio)

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Robot mobili

La struttura meccanica di un robot mobile consiste in un insieme di corpi rigidi dotati di un sistema di locomozione

Robot mobili su ruote

Base (chassis)

Ruote che lo movimentano rispetto al suolo

Eventuali rimorchi (su ruote)

Robot mobili su gambe

Arti

Piede periodicamente in contatto con il suolo (locomozione)

Progetto ispirato a organismi viventi (robotica biomimetica)

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Ruota fissa

Può ruotare intorno a un asse passante per il centro della ruota e normale al piano che la contiene

Orientamento costante rispetto allo chassis (solidale)

Ruota orientabile

Primo asse di rotazione come ruota fissa

Secondo asse verticale passante per il centro della ruota

Orientamento variabile rispetto allo chassis

Ruota eccentrica (caster)

Asse verticale eccentrico rispetto alla ruota (offset)

Allineamento automatico e rapido nella direzione di spinta dello chassis

Punto di appoggio per il bilanciamento statico (senza influenzare la mobilità dello chassis)

Ruote convenzionali Introduzione alla Robotica 20/58

Veicolo a trazione differenziale

Due ruote fisse con lo stesso asse di rotazione

Controllate separatamente

Una ruota eccentrica (dimensione ridotte)

Passiva

Può ruotare sul posto (senza muovere il centro delle ruote) se le velocità angolari delle due ruote sono uguali e contrarie

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Tre ruote orientabili allineate

Comandate in modo solidale da due soli motori attraverso un accoppiamento meccanico (catena, cinghia di trasmissione)

Il primo motore controlla la rotazione delle ruote intorno all’asse orizzontale (trazione del veicolo)

Il secondo motore controlla la rotazione delle ruote intorno all’asse verticale (orientamento del veicolo)

Veicolo a trazione sincronizzata Introduzione alla Robotica 22/58

Triciclo Introduzione alla Robotica 23/58

Due ruote fisse sull’asse posteriore

Comandate da un unico motore (trazione del veicolo)

Ruota orientabile

Comandata da motore (sterzo del veicolo)

In alternativa

Ruote posteriori passive

Ruota anteriore (sterzo + trazione)

Automobile Introduzione alla Robotica 24/58

Due ruote fisse sull’asse posteriore

Due ruote orientabili sull’asse anteriore

Un motore fornisce la trazione (anteriore o posteriore)

Un motore varia l’orientamento

Ruote anteriori con orientamento diverso tra di loro

Ruota interna più sterzata rispetto a quella esterna (sterzo di Ackermann)

Tre ruote eccentriche in posizione simmetrica

Velocità di trazione comandate indipendentemente

Può muoversi istantaneamente in qualsiasi direzione, nonché riorientarsi sul posto

Veicolo omnidirezionale Introduzione alla Robotica 25/58

Ruota Mecanum

Ruota fissa sulla cui circonferenza esterna sono aggiunti rulli passivi il cui asse di rotazione è inclinato (in genere 45°) rispetto al piano della ruota

Un veicolo dotato di quattro ruote Mecanum montate a coppie su due assi paralleli è anch’esso omnidirezionale

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Bilanciamento

Un robot con tre ruote è in equilibrio statico se il suo baricentro cade all’interno del triangolo di supporto definito dai punti di contatto delle ruote con il suolo

I robot con più di tre ruote hanno un poligono di supporto (più semplice garantire il bilanciamento)

In caso di superficie non perfettamente planare, è necessario dotare il veicolo di un sistema di sospensioni per mantenere il contatto di tutte le ruote

Introduzione alla Robotica 27/58

Spazio di lavoro

Lo spazio di lavoro di un robot mobile è potenzialmente illimitato

La mobilità locale di un robot mobile non omnidirezionale è sempre ristretta

Un triciclo non può muoversi istantaneamente in direzione normale all’asse delle ruote posteriori

Al termine del movimento, il triciclo può essere manovrato in modo da ottenere uno spostamento complessivo in tale direzione

Il numero dei gradi di libertà del robot (numero dei moti istantanei ammissibili) è inferiore al numero delle variabili di configurazione dello stesso

Introduzione alla Robotica 28/58

Manipolatore mobile

Montaggio di un manipolatore su una base mobile

Destrezza del braccio articolato

Mobilità illimitata della base

Progetto complesso

Bilanciamento statico e dinamico

Azionamento dei due sistemi

Introduzione alla Robotica 29/58

Robotica industriale

La robotica industriale è la disciplina che si interessa della progettazione, del governo e delle applicazioni dei robot in ambito industriale

I suoi prodotti hanno raggiunto lo stato di una tecnologia matura

Robot industriali operano in un ambiente strutturato

Primi robot industriali sviluppati alla confluenza di due tecnologie

Macchine utensili a controllo numerico per la lavorazione automatica di precisione

Teleoperatori per la manipolazione a distanza di materiali radioattivi

Caratteristiche

versatilità di utilizzo, grazie all'impiego di utensili di natura diversa come organo terminale del manipolatore

adattabilità a situazioni non note a priori, grazie all'utilizzo di sensori

precisione di posizionamento, grazie all'adozione di tecniche di controllo in retroazione

ripetibilità di esecuzione, grazie alla programmabilità delle varie operazioni

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Automazione

L’automazione è una tecnologia il cui obiettivo è quello di sostituire la macchina all’uomo in un processo di produzione, non solo per quanto riguarda l’esecuzione delle operazioni materiali, ma anche per ciò che concerne l’elaborazione intelligente delle informazioni sullo stato del processo

Automazione rigida (produzione in serie di grossi volumi di manufatti di caratteristiche costanti)

Automazione programmabile (produzione di piccoli e medi lotti di manufatti di caratteristiche variabili)

Automazione flessibile (produzione di lotti variabili di manufatti diversi)

Introduzione alla Robotica 31/58

Robot industriale

Macchina con elevate caratteristiche di versatilità e flessibilità

Un robot è una struttura meccanica multifunzionale e riprogrammabile progettato per spostare materiali, parti, utensili o dispositivi specializzati secondo movimenti variabili programmati per l’esecuzione di una varietà di compiti diversi (Robot Institute of America, 1980)

Componente tipico di sistemi di automazione programmabile

Introduzione alla Robotica 32/58

Capacità di impiego

Trasporto

Palettizzazione (disposizione di oggetti in maniera preordinata su un opportuno supporto raccoglitore)

Carico e scarico di magazzini

Carico e scarico di macchine operatrici e macchine utensili

Selezione e smistamento di parti

Confezionamento di merci

Introduzione alla Robotica 33/58

AGV

Capacità di impiego

Misura

Collaudo dimensionale

Rilevamento di profili

Individuazione di difetti di fabbricazione

Manipolazione (lavorazione/assemblaggio)

Saldatura ad arco e a punti

Verniciatura a spruzzo

Fresatura e trapanatura

Incollaggio

Taglio laser e a getto d’acqua

Finitura

Assemblaggio di gruppi meccanici ed elettrici

Montaggio di schede elettroniche

Avvitatura

Cablaggio

Introduzione alla Robotica 34/58

Fonte 12/2011: World Robotics 2012

~1.4 milioni di robot industriali in funzione nel mondo

L’anno di maggiore successo per i robot industriali dal 1961

Mercato totale: 8.5 miliardi $ (+46%)

Mercato stimato: 25.5 miliardi $

Mercati più grandi: Giappone, Corea (auto, elettronica)

Motori della crescita: Cina, USA, Germania (+39÷51%)

Impiego di robot industriali Introduzione alla Robotica 35/58

Alcuni dati sui robot industriali

Vita media di un robot industriale

12 anni … potrebbe arrivare a 15 anni

Densità di robot per numero di operai

347 robot ogni 10.000 operai in Corea

339 in Giappone

261 in Germania

149 in Italia

Costo medio di un robot a sei assi

Da 20.000 a 60.000 € a seconda delle dimensioni e delle applicazioni

Introduzione alla Robotica 36/58

Applicazioni industriali Introduzione alla Robotica 37/58

Alcuni robot industriali

Robot AdeptOne XL

Struttura SCARA

Motori ad accoppiamento diretto

Sbraccio di 800 mm

Ripetibilità di 0.025 mm in direzione orizzontale e 0.038 mm in quella verticale

Velocità max

1200 mm/s per il giunto prismatico

Da 650 a 3330 °/s per i tre giunti rotoidali

Portata di 12 kg

Gamma di applicazioni

Trasporto di piccole parti

Assemblaggio

Confezionamento

Introduzione alla Robotica 38/58

Alcuni robot industriali

Robot COMAU Smart NS

Struttura antropomorfa a sei giunti con polso sferico

Sbraccio orizzontale da 1650 a 1850 mm

Ripetibilità di 0.05 mm

Velocità max

Da 155 a 170 °/s per i primi tre giunti

Da 350 a 550 °/s per gli ultimi tre giunti

Portata da 12 a 16 kg

Montaggio a pavimento o a soffitto

Gamma di applicazioni

Saldatura ad arco

Trasporto di materiali leggeri

Assemblaggio

Processi tecnologici

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Alcuni robot industriali

Robot ABB IRB4400

Struttura antropomorfa a sei giunti con catena chiusa a parallelogramma

Sbraccio da 1960 a 2550 mm

Ripetibilità da 0.07 a 0.1 mm

Velocità max all’organo terminale di 2200 mm/s

Portata di 60 kg

Montaggio a pavimento o a parete

Gamma di applicazioni

Trasporto di materiali

Carico e scarico di macchine

Molatura

Incollaggio

Pressatura

Stampaggio

Assemblaggio

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Alcuni robot industriali

Robot KUKA KR 60 Jet

Struttura a cinque assi, montato su slitta con installazione a portale

Corsa dell’unità lineare da 400 mm a 20 m

Velocità max di 3200 mm/s

Sbraccio del robot di 820 mm

Ripetibilità di 0.15 mm

Velocità max

Da 120 a 166 °/s per i primi due giunti

Da 260 a 322 °/s per gli ultimi tre giunti

Gamma di applicazioni

Carico e scarico di macchine

Finitura

Rivestimento

Sigillatura

Taglio

Introduzione alla Robotica 41/58

Alcuni robot industriali

Robot ABB IRB340 FlexPicker

Geometria parallela a quattro assi

Peso ridotto e montaggio dall’alto

Valori record di velocità di 10 m/s e accelerazione di 100 m/s2

Ripetibilità di 0.1 mm

Carico di 1 kg

Versione pulita in alluminio

industria alimentare

industria farmaceutica

Introduzione alla Robotica 42/58

Alcuni robot industriali

Robot Fanuc M-16iB

Struttura antropomorfa a sei giunti con polso sferico

Sbraccio orizzontale da 1667 a 1885 mm

Ripetibilità di 0.1 mm

Velocità max

da 165 a 175 °/s per i primi tre giunti

da 340 a 520 °/s per gli ultimi tre giunti

Portata da 10 a 20 kg

Sensori integrati nell’unita di governo

Sistema di guida basato su visione 3D

Sensore di forza a sei assi

Gamma di applicazioni

Trasporto di oggetti arbitrariamente posizionati

Finitura

Incollaggio

Taglio a getto d’acqua

Introduzione alla Robotica 43/58

Alcuni robot industriali

Robot KUKA Lightweight

Struttura a sette assi, presentato nel 2006 come il risultato di un trasferimento tecnologico da DLR

Adozione di materiali in lega leggera e sensori di coppia ai giunti

Sbraccio orizzontale di 868 mm

Velocità ai giunti da 110 a 210 °/s

Carico da 7 a 14 kg, a fronte di un peso di soli 15 kg (!)

Ridondanza cinematica

Sicurezza intrinseca nel caso di contatto con esseri umani

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Mano BarrettHand

Un dito fisso e due dita mobili intorno alla base del palmo

Manipolazione di oggetti di dimensione, forma e orientamento diversi

Mano antropomorfa SAH

Risultato di un trasferimento tecnologico da DLR e Harbin Institute of Technology (Cina)

Tre dita indipendenti allineate e un dito opponibile, analogo al pollice umano

Giunti delle dita dotati di sensori angolari a effetto magnetico e sensori di coppia

Buona destrezza vicina alla mano umana

Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 45/58

Manipolatore umanoide Justin

Torso a tre giunti assimilabile a struttura antropomorfa

Due braccia a sette assi (tecnologia LWR)

Testa sensorizzata

Compiti di manipolazione bimanuale

Alcuni robot industriali Introduzione alla Robotica 46/58

Le prospettive di mercato Introduzione alla Robotica 47/58

Robotica avanzata

La robotica avanzata è la scienza che studia robot con spiccate caratteristiche di autonomia che operano in ambienti non strutturati o scarsamente strutturati, le cui caratteristiche geometriche o fisiche non siano completamente note a priori

Ancora in età giovane: tecnologia non ancora matura, prevalentemente prototipi

Robot per l’esplorazione

Necessità di ricorrere ad automi per indisponibilità dell’operatore umano

Motivi di sicurezza in ambienti ostili

Robot di servizio

Prodotti con mercati potenziali di ampie dimensioni che puntano a migliorare la qualità della vita

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Robot di servizio professionale

Applicazioni militari e in campo ostile

16.408 nuove installazioni nel 2011

Robot di servizio a uso personale/domestico (+15%)

1.700.000 robot per applicazioni domestiche

841.000 robot per l’intrattenimento

Robot per applicazioni non industriali Introduzione alla Robotica 49/58

Alcuni robot per l’esplorazione

Interventi in zone contaminate da gas velenosi o sostanze radioattive

Interventi in scenari causati da disastri (attentati, crolli, terremoti)

Esplorazione di un vulcano

Esplorazione sottomarina

Esplorazione spaziale

Pattugliamento aereo

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Alcuni robot di servizio

Mobilità dei cittadini (ITS)

Sedie a rotelle autonome

Domotica

Robot per la chirurgia laparoscopica

Robot per diagnostica e chirurgia endoscopica

Robot per la riabilitazione

Robot umanoidi

Robot zoomorfi

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Verso il futuro

Scenario a venire

Robot che “scompaiono”

La tecnologia robotica diviene ubiquitaria, distribuita e/o “integrata” in ambienti intelligenti … proprio come i computer che stanno diventando sempre più pervasivi

Sogno o realtà?

Tema di www.icra07.org

Ubiquitous Robotics

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Libro di testo Introduzione alla Robotica 54/58

Textbook Introduzione alla Robotica 55/58

Modellistica, pianificazione e controllo

Modellistica

Cinematica (Cap. 2)

Cinematica differenziale (Cap. 3)

Dinamica (Cap. 7)

Robot mobili (Cap. 11)

Pianificazione

Pianificazione di traiettorie (Cap. 4)

Pianificazione del moto (Cap. 12)

Controllo

Attuatori e sensori (Cap. 5)

Unità di governo (Cap. 6)

Controllo del moto (Cap. 8)

Controllo di forza (Cap. 9)

Controllo visuale (Cap. 10)

Algebra lineare (App. A)

Meccanica dei corpi rigidi (App. B)

Geometria differenziale (App. D)

Algoritmi di ricerca su grafo (App. E)

Controllo in retroazione (App. C)

Introduzione alla Robotica 56/58

Springer Handbook of Robotics

B. Siciliano & O. Khatib (Editors)

PROSE Awards for Excellence in Physical Sciences & Mathematics + Engineering & Technology (February 2009)

Robotics Foundations

(D. Orin)

Robot Structures (F. Park)

Sensing and Perception

(H. Christensen)

Manipulation and Interfaces

(M. Kaneko)

Mobile and Distributed Robotics

(R. Chatila)

Field and Service Robotics

(A. Zelinsky)

Human-Centered and Life-Like

Robotics (Rus)

VII

Human-Centered and Life-Like Robotics

(D. Rus)

G

14

F

8

B

9

A

9

C

7

D

9

E

8

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The Handbook Story Robots Moving Closer to Humans 58/18