Introduzione alla RoboticaIntroduzione alla Robotica · La robotica industriale è la disciplina...

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Introduzione alla RoboticaIntroduzione alla RoboticaIntroduzione alla RoboticaIntroduzione alla Robotica

Bruno SICILIANOPRISMA Lab

Dipartimento di Informatica e SistemisticaUniversità degli Studi di Napoli Federico IIUniversità degli Studi di Napoli Federico II

[email protected]

Robot Robot ☺☺Introduzione alla Robotica 2/55

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RoboticaRobotica

Studio di macchine che possano sostituire l'uomo nell'esecuzione di un compito, sia in termini di attività fisica che decisionale

Radici c lt ali

Introduzione alla Robotica 3/55

Radici culturaliMitologiaAutomaRobot (robota = lavoro esecutivo)Letteratura fantascientifica

Leggi fondamentali (Asimov)Un robot non può far del male a un essere umano né consentire, restando p ,inoperoso, che un essere umano si trovi in pericoloUn robot deve obbedire agli ordini impartiti da esseri umani, a meno che tali ordini non entrino in conflitto con la prima leggeUn robot deve proteggere la sua esistenza a meno che tale protezione non vada in conflitto con la prima o la seconda legge

Un precursoreUn precursore

La metafora di “Tempi Moderni”


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Evoluzione della roboticaEvoluzione della robotica

BISOGNOBISOGNOdi macchine di macchine

utiliutiliApplicazioni

1975-1985


SOGNO SOGNO dell’Uomodell’Uomodi replicaredi replicare

Robotica industriale

Robotica per l’esplorazione

ppmanifatturiere

Applicazioni spaziali

Applicazioni medicheRobotica di

i i

1985-1995

1995-2005

1800

1920

di replicare di replicare sé stessosé stesso

Th e ima g e c an no t be di sp lay ed . Y o ur co m pu te r may n ot h av e e no u gh memo ry to o pe n t he imag e , o r t he im ag e ma y ha ve b ee n co rru p te d. R es tar t y ou r co mpu te r, an d the n op e n t he fi le ag ain . If th e r ed x st ill ap pe ar s, yo u m ay h av e t o de let e the ima ge a nd th en i ns ert it ag ai n.

Robotica personale

servizio2005-2015

1200

15001550

1750

2005

Robotica umanoide

DefinizioneDefinizione

Robotica: connessione intelligente tra percezione e azione


CONTROLLO ATTUATORI

SENSORI

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Componenti di un robotComponenti di un robot

Sistema meccanicoOrgani di locomozione (ruote, cingoli, gambe meccaniche)Organi di manipolazione (braccia meccaniche utensili mani artificiali)


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

Sistema di attuazioneAnima le componenti meccaniche del robotControllo del moto (servomotori, azionamenti e organi di trasmissione)

Sistema sensorialeSensori propriocettivi (stato interno del robot)Sensori esterocettivi (stato esterno dell’ambiente)( )

Sistema di governoEsecuzione dell’azione nel rispetto della pianificazione del compito e dei vincoli imposti da robot e ambienteAdozione del principio del feedback (retroazione)Impiego di modelli del sistema robotico

Robot manipolatoriRobot 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)


(g )Struttura portante che assicura mobilitàPolso che conferisce destrezzaOrgano 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 libertà3 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 cartesianoManipolatore cartesiano

Tre giunti prismatici

Ottime caratteristiche di rigidezzameccanica


meccanica

Precisione di posizionamento del polsocostante nello spazio di lavoro

Operazioni di trasporto eassemblaggio

Azionamenti elettrici (talvoltapne matici)pneumatici)

Manipolatore a portaleManipolatore a portale

Manipolazione di oggetti di dimensione e peso rilevanti


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Manipolatore cilindricoManipolatore cilindrico

Un giunto rotoidale e due prismatici

Buone caratteristiche di rigidezzameccanica


meccanica

La precisione di posizionamentodel polso si riduce al cresceredello sbraccio orizzontale

Operazioni di trasporto di oggettianche di peso rilevante

A ionamenti id a lici (o elett ici)Azionamenti idraulici (o elettrici)

Manipolatore sfericoManipolatore sferico

Due giunti rotoidali e uno prismatico

Discrete caratteristiche di rigidezzameccanica


meccanica

La precisione di posizionamentodel polso si riduce al cresceredello sbraccio radiale

Operazioni di lavorazione

Azionamenti elettrici

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Manipolatore SCARAManipolatore SCARA

Due giunti rotoidali e uno prismatico

Elevata rigidezza a carichi verticalie cede ole a a ca ichi o i ontali


e cedevolezza a carichi orizzontali

Selective Compliance AssemblyRobot Arm

La precisione di posizionamentodel polso si riduce al cresceredella distanza del polso stessodall’asse del primo giuntop g

Manipolazione di piccoli oggetti


Manipolatore antropomorfoManipolatore antropomorfo

Tre giunti rotoidali

Struttura più destra


Precisione di posizionamento variabile

Applicazioni molteplici


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Manipolatore paralleloManipolatore parallelo

Più catene cinematiche che connettono la base all’organo terminale


Elevata rigidezza

Velocità operative molto elevate

Spazio di lavoro ristretto

Manipolatore ibrido paralleloManipolatore ibrido parallelo−seriale−seriale

Struttura portante parallela

Cinematica seriale


Generazione di forze elevate lungo le componenti verticali

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Polso e organo terminalePolso e organo terminale

Polso sfericoGiunti rotoidali che determinano l’orientamento dell’organo terminale


gCaratteristiche di compattezza e destrezzaDisaccoppiamento tra posizione e orientamento

Organo terminaleSpecificato in relazione al compito che il robot deve eseguirePinza (trasporto)Utensile o dispositivo specializzato (lavorazione eUtensile o dispositivo specializzato (lavorazione e assemblaggio)

Robot mobiliRobot 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


Robot mobili su ruoteBase (chassis)Ruote che lo movimentano rispetto al suoloEventuali rimorchi (su ruote)

Robot mobili su gambeArtiPiede periodicamente in contatto con il suolo (locomozione)Progetto ispirato a organismi viventi (robotica biomimetica)

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

Ruote convenzionaliRuote convenzionaliIntroduzione alla Robotica 19/55

pOrientamento costante rispetto allo chassis (solidale)

Ruota orientabilePrimo asse di rotazione come ruota fissaSecondo asse verticale passante per il centro della ruotaOrientamento variabile rispetto allo chassis

Ruota eccentrica (caster)Asse verticale eccentrico rispetto alla ruota (offset)Allineamento automatico e rapido nella direzione di spinta dello chassisPunto di appoggio per il bilanciamento statico (senza influenzare la mobilità dello chassis)

Veicolo a trazione differenzialeVeicolo a trazione differenziale

Due ruote fisse con lo stesso asse di rotazione

Controllate separatamente


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

lsono uguali e contrarie

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Tre ruote orientabili allineateComandate in modo solidale da due soli motori attraverso un accoppiamento

Veicolo a trazione sincronizzataVeicolo a trazione sincronizzataIntroduzione alla Robotica 21/55

ppmeccanico (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)

TricicloTricicloIntroduzione alla Robotica 22/55

Due ruote fisse sull’asse posterioreComandate da un unico motore (trazione del veicolo)( )

Ruota orientabileComandata da motore (sterzo del veicolo)

In alternativaRuote posteriori passiveRuota anteriore (sterzo + trazione)

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AutomobileAutomobileIntroduzione alla Robotica 23/55

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 ll t ( t di A k )quella esterna (sterzo di Ackermann)

Tre ruote eccentriche in posizione simmetricaVelocità di trazione comandate indipendentemente

Veicolo omnidirezionaleVeicolo omnidirezionaleIntroduzione alla Robotica 24/55

p

Può muoversi istantaneamente in qualsiasi direzione, nonché riorientarsi sul posto

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Ruota MecanumRuota Mecanum

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


( g ) pal piano della ruota

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

BilanciamentoBilanciamento

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

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Spazio di lavoroSpazio di lavoro

Lo spazio di lavoro di un robot mobile è potenzialmente illimitato

La mobilità locale di un robot mobile non omnidirezionale è sempre ist etta


ristrettaUn triciclo non può muoversi istantaneamente in direzione normale all’asse delle ruote posterioriAl 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 stessostesso

Manipolatore mobileManipolatore mobile

Montaggio di un manipolatore su una base mobile

Destrezza del braccio articolato


Mobilità illimitata della base

Progetto complessoBilanciamento statico e dinamicoAzionamento dei due sistemi

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Robotica industrialeRobotica 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


I suoi prodotti hanno raggiunto lo stato di una tecnologia maturaRobot industriali operano in un ambiente strutturato

Primi robot industriali sviluppati alla confluenza di due tecnologieMacchine utensili a controllo numerico per la lavorazione automatica di precisioneTeleoperatori per la manipolazione a distanza di materiali radioattiviCaratteristiche

versatilità di impiego grazie all'impiego di utensili di natura diversa come organoversatilità di impiego, grazie all impiego di utensili di natura diversa come organo terminale del manipolatoreadattabilità a situazioni non note a priori, grazie all'utilizzo di sensoriprecisione di posizionamento, grazie all'adozione di tecniche di controllo in retroazioneripetibilità di esecuzione, grazie alla programmabilità delle varie operazioni

AutomazioneAutomazione

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


g p , pconcerne 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)

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Robot industrialeRobot industriale

Macchina con elevate caratteristiche di versatilità e flessibilità

Un robot è una struttura meccanica multifunzionale e riprogrammabile p ogettato pe sposta e mate iali pa ti tensili o dispositi i speciali ati


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

Installazioni di robot industrialiInstallazioni di robot industriali

99 97

127

112

100 000

120.000

140.000


53 55

6977 82

6979 78

69

81

97

20.000

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Uni

tà

0

40.000

60.000

80.000

100.000

Rapporto IFR

Al 2006 risultano operativi nel mondo quasi un milione di robot industrialiMetà in AsiaUn terzo in Europa

60.000 unità in Italia: secondo posto dopo Germania, quarto nel mondo

16% in Nord America1.200.000 unità entro la fine del 2010

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Alcuni dati sui robot industrialiAlcuni dati sui robot industriali

Vita media di un robot industriale12 anni … potrebbe arrivare a 15 anni

D ità di b t di i


Densità di robot per numero di operai349 robot ogni 10.000 operai in Giappone187 in Corea186 in Germania123 in Italia99 negli Stati Uniti

Costo medio di un robot a sei assiDa 20.000 a 60.000 € a seconda delle dimensioni e delle applicazioni

Industrie di riferimentoIndustrie di riferimento

Parti automobilistiche

Veicoli a motore


Alimentare

2005 2006

Veicoli a motore

Chimica, gomma e plastica

Elettrica ed elettronica

Lavorazione metallo

Macchinari(industriali e consumo)

0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000

Comunicazioni

Precisione e ottica

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Capacità di impiegoCapacità di impiego

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


pp g )Carico e scarico di magazziniCarico e scarico di macchine operatrici e macchine utensiliSelezione e smistamento di partiConfezionamento di merci

AGV

Capacità di impiegoCapacità di impiego

MisuraCollaudo dimensionaleRilevamento di profili


Rilevamento di profiliIndividuazione di difetti di fabbricazione

Manipolazione (lavorazione/assemblaggio)Saldatura ad arco e a puntiVerniciatura a spruzzoFresatura e trapanaturaIncollaggioTaglio laser e a getto d’acquaFinituraAssemblaggio di gruppi meccanici ed elettriciMontaggio di schede elettronicheAvvitaturaCablaggio

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Impiego di robot industrialiImpiego di robot industriali

Palettizzazione, carico e scarico


2005 2006

Saldatura

Assemblaggio

Processo

Smistamento

0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 18.000

Altre

ApplicazioniApplicazioni industrialiindustrialiIntroduzione alla Robotica 38/55

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Alcuni robot industrialiAlcuni robot industriali

Robot AdeptOne XLStruttura SCARAMotori ad accoppiamento diretto


Motori ad accoppiamento direttoSbraccio di 800 mmRipetibilità di 0.025 mm in direzione orizzontale e 0.038 mm in quella verticaleVelocità max

1200 mm/s per il giunto prismaticoDa 650 a 3330 °/s per i tre giunti rotoidali

Portata di 12 kgGamma di applicazioni

Trasporto di piccole partiAssemblaggioConfezionamento


Robot COMAU Smart NSStruttura antropomorfa a sei giunti con polso sferico


pSbraccio orizzontale da 1650 a 1850 mmRipetibilità di 0.05 mmVelocità max

Da 155 a 170 °/s per i primi tre giuntiDa 350 a 550 °/s per gli ultimi tre giunti

Portata da 12 a 16 kgMontaggio a pavimento o a soffittoGamma di applicazioni

Saldatura ad arcoTrasporto di materiali leggeriAssemblaggioProcessi tecnologici

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Robot ABB IRB4400Struttura antropomorfa a sei giunti con catena chiusa a parallelogramma


p gSbraccio da 1960 a 2550 mmRipetibilità da 0.07 a 0.1 mmVelocità max all’organo terminale di 2200 mm/sPortata di 60 kgMontaggio a pavimento o a pareteGamma di applicazioni

Trasporto di materialipCarico e scarico di macchineMolaturaIncollaggioPressaturaStampaggioAssemblaggio


Robot KUKA KR 60 JetStruttura a cinque assi, montato su slitta con installazione a portaleCorsa dell’unità lineare da 400 mm a 20 m


Corsa dell unità lineare da 400 mm a 20 mVelocità max di 3200 mm/sSbraccio del robot di 820 mmRipetibilità di 0.15 mmVelocità max

Da 120 a 166 °/s per i primi due giuntiDa 260 a 322 °/s per gli ultimi tre giunti

Gamma di applicazionippCarico e scarico di macchineFinituraRivestimentoSigillaturaTaglio

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Robot ABB IRB340 FlexPickerGeometria parallela a quattro assiPeso ridotto e montaggio dall’alto


Peso ridotto e montaggio dall altoValori record di velocità di 10 m/s e accelerazione di 100 m/s2

Ripetibilità di 0.1 mmCarico di 1 kgVersione pulita in alluminio

industria alimentareindustria farmaceutica


Robot Fanuc M-16iBStruttura antropomorfa a sei giunti conpolso sferico


pSbraccio orizzontale da 1667 a 1885 mmRipetibilità di 0.1 mmVelocità max

da 165 a 175 °/s per i primi tre giuntida 340 a 520 °/s per gli ultimi tre giunti

Portata da 10 a 20 kgSensori integrati nell’unita di governo

Sistema di guida basato su visione 3DSensore di forza a sei assi

Gamma di applicazioniTrasporto di oggetti arbitrariamente posizionatiFinituraIncollaggioTaglio a getto d’acqua

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Robot KUKA LightweightStruttura a sette assi, presentato nel 2006 come il risultato di un trasferimento


tecnologico da DLRAdozione di materiali in lega leggera e sensori di coppia ai giuntiSbraccio orizzontale di 868 mmVelocità ai giunti da 110 a 210 °/sCarico da 7 a 14 kg, a fronte di un peso di soli 15 kg (!)

d dRidondanza cinematicaSicurezza intrinseca nel caso di contatto con esseri umani

Mano BarrettHandUn dito fisso e due dita mobili intorno alla base del palmo

Alcuni robot industrialiAlcuni robot industrialiIntroduzione alla Robotica 46/55

pManipolazione di oggetti di dimensione, forma e orientamento diversi

Mano antropomorfa SAHRisultato di un trasferimento tecnologico da DLR e Harbin Institute of Technology (Cina)DLR e Harbin Institute of Technology (Cina)Tre dita indipendenti allineate e un dito opponibile, analogo al pollice umanoGiunti delle dita dotati di sensori angolari a effetto magnetico e sensori di coppiaBuona destrezza vicina alla mano umana

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Manipolatore umanoide JustinTorso a tre giunti assimilabile a struttura antropomorfa

Alcuni robot industrialiAlcuni robot industrialiIntroduzione alla Robotica 47/55

pDue braccia a sette assi (tecnologia LWR)Testa sensorizzataCompiti di manipolazione bimanuale

Robotica avanzataRobotica 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


, gsiano completamente note a priori

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

Robot per l’esplorazioneNecessità di ricorrere ad automi per indisponibilità dell’operatore umanoMotivi di sicurezza in ambienti ostili

R b di i iRobot di servizioProdotti con mercati potenziali di ampie dimensioni che puntano a migliorare la qualità della vita

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Robot per applicazioni non industrialiRobot per applicazioni non industriali

12.000

14.000

Sino al 2006


4.000

6.000

8.000

10.000

Sino al 2006

Nuove installazioni 2007−2010

Uni

tà

0

2.000

Sottomarine

Pulizia

Difesa, soccorso, sicurezza Ambienti ostili

Piattaforme mobili

Mediche

Logistica

Altre

Alcuni robot per l’esplorazioneAlcuni robot per l’esplorazione

Interventi in zone contaminate da gas velenosi o sostanze radioattive

Inte enti in scena i ca sati da disast i (attentati


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

Esplorazione di un vulcano

Esplorazione sottomarina

Esplorazione spaziale

Pattugliamento aereog

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Alcuni robot di servizioAlcuni 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

Verso il futuroVerso il futuro

Scenario a venireRobot che “scompaiono”La tecnologia robotica diviene ubiqua


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

Sogno o realtà?

Tema di www.icra07.orgUbiquitous Robotics

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Libro di testoLibro di testoIntroduzione alla Robotica 53/55

TextbookTextbookIntroduzione alla Robotica 54/55

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Modellistica, pianificazione e controlloModellistica, pianificazione e controllo

ModellisticaCinematica (Cap. 2)Cinematica differenziale (Cap 3)

Algebra lineare (App. A)


Cinematica differenziale (Cap. 3)Dinamica (Cap. 7)Robot mobili (Cap. 11)

PianificazionePianificazione di traiettorie (Cap. 4)Pianificazione del moto (Cap. 12)

Controllo

Meccanica dei corpi rigidi (App. B)Geometria differenziale (App. D)

Algoritmi di ricerca su grafo (App. E)

Attuatori e sensori (Cap. 5)Unità di governo (Cap. 6)Controllo del moto (Cap. 8)Controllo di forza (Cap. 9)Controllo visuale (Cap. 10)

Controllo in retroazione (App. C)

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