Robotica Industriale Lezione 2: I problemi fondamentali

Robotica Industriale 2009

9 gennaio 2009

Lezione 2 I problemi fondamentali

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Robotica Industriale

9 gennaio 2009

Lezione 2: I problemi fondamentali

9 gennaio 2009 Lezione 2 I problemi fondamentali 2

Per capire meglio i problemi…

 Diamo un’occhiata a cosa si fa con i robot industriali  Cerchiamo di capire quali siano le esigenze del lavoro

che devono compiere


9 gennaio 2009



Prima applicazione: spostare oggetti

 Grossolana ma non necessariamente:   Prendere un oggetto da una posizione e depositarlo in un'altra:

pick and place   Prendere un oggetto da una posizione (fissa) e depositarlo in un'altra

(variabile): (pallettizzazione)   Prendere un oggetto da un posizione (variabile) e depositarlo in un'altra:

(de-pallettizzazione)   Prendere un oggetto da una posizione (incognita) e depositarlo in un'altra

(visione artificiale)  Media:

  Carico e scarico di macchine utensili  Fine:

  Collegamento di un oggetto con un altro al fine di costruire un oggetto più complesso (assemblaggio)


Seconda applicazione: spostare utensili

 Senza interazione diretta   Deposizione di collanti, sigillanti, ecc.   Verniciatura a spruzzo   Taglio a filo d'acqua   Taglio a laser

 Con interazione diretta   Saldatura a punti   Saldatura ad arco   Avvitatura   Molatura, sbavatura, ecc.



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Terza applicazione: tutto il resto

 Senza interazione diretta  Con interazione diretta



Inquadriamo il problema

 Molte delle operazioni che l’uomo fa durante i processi produttivi sono operazioni di manipolazione   Diretta (degli oggetti che si stanno fabbricando)   Indiretta: si manipolano attrezzi che operano sugli oggetti

 Normalmente l’uomo usa le mani, che sono attaccate ai polsi, che sono attaccati alle braccia, …, che sono attaccate ai piedi, che sono attaccati al terreno (?!)

 Le operazioni di manipolazione richiedono quindi organi meccanici in grado di spostare nello spazio una mano meccanica, o per meglio dire, un end effector.


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Definizioni

 Manipolatore (robot, braccio meccanico, robot industriale, …): la macchina, nel suo insieme;

 Braccio: gli organi meccanici che stanno fra la base e il polso;

 Polso: flangia (o altro dispositivo) a cui viene attaccato l’end effector;

 End effector: qualunque dispositivo venga attaccato al polso per compiere operazioni   Pinza   Attrezzo dedicato


Un’altra definizione: il telemanipolatore


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Telemanipolatore vs. manipolatore:

Telemanipolatore:

Manipolatore:

L’uomo deve potere essere rimosso


Esempi di applicazioni…

Manipolazione

Saldatura ad arco

Saldatura a punti

Sbavatura

Assemblaggio

Montaggio ruote Verniciatura


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Manipolazione


Saldatura ad arco (arc welding)


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Il principio della saldatura ad arco:

+

-

Elettrodo (consumabile)

Cianfrino


Saldatura a punti (spot welding)


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Il principio della saldatura a punti:

+

-

Elettrodo

Elettrodo


Sbavatura


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Assemblaggio


Montaggio ruote


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Verniciatura


Ma c’è ben altro!

Asimo

Cooperazione


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Robot cooperativi


Il primo problema: la posizione di un oggetto

 Quasi tutte le applicazioni (industriali) che abbiamo visto implicavano la soluzione di uno o più di questi problemi fondamentali:   Prendere un oggetto che sta in una determinata posizione   Depositare un oggetto in una determinata posizione   Portare un attrezzo in una determinata posizione

 Oppure di problemi più complessi, tipo   Far seguire ad un attrezzo una determinata traiettoria   Far seguire a tutto il robot (mobile) una determinata traiettoria


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Guardate attentamente questa fotografia…

 C’è un astuccio  Voglio costruire una

macchina che lo sappia afferrare

 Devo indicarle in che posizione si trova

 Come posso fare?


Esistono diversi sistemi:

 Nel laboratorio di Robotica  Sul tavolo, accanto a Marmot  A 240mm a ESE della ruota n. 2 di

Marmot   In posizione (X=3224, Y=2450)

rispetto all’angolo della stanza   In coordinate 45°31’59.0231”N,

10°12’54.452”E  A 2752mm a SE della colonna


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Cosa ne è venuto fuori:

 Sistemi qualitativi   Richiedono intelligenza interpretativa

 Sistemi quantitativi   Richiedono capacità di misurazione   Assoluti (rispetto a un riferimento fisso)   Relativi (rispetto a un riferimento mobile)

 Siccome per ora trattiamo robot non intelligenti, parleremo solo dei sistemi quantitativi


Ora, ipotizziamo di voler afferrare l’astuccio:


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C’è qualcosa che non quadra:

  I nostri sistemi non funzionano né con la pinza…

Né con la ventosa!


Allora, nessuno di questi metodi è giusto!

 Per descrivere quantitativamente la posizione di un corpo nello spazio occorrono SEI coordinate, non tre!

 Associamo rigidamente al corpo una terna di assi cartesiani

 Descriviamo la posizione di questa terna rispetto ad una terna di riferimento:   Coordinate dell’origine   Orientamento angolare della terna


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In altre parole:

x

z y

X

Y

Z


Allora, se il nostro punto si chiama P…

x

z y

X

Y

Z

YP

ZP XP


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E per l’orientamento…

x

z y

X

Y

Z

RZP

RXP

(RyP)


Ovviamente, ci sono anche altri metodi

R

Z

P

θ

Coordinate cilindriche

ϕ

P

θ

Coordinate sferiche

R


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…E lo stesso vale per le coordinate angolari

 Si possono usare i coseni direttori  Oppure i concetti di “Roll, Pitch e Yaw” (Rollio,

beccheggio e imbardata)


Ultima osservazione:

 La scelta del sistema di rappresentazione delle posizioni non è molto importante

 Le trasformazioni da un sistema di coordinate ad un altro sono (in genere) semplici e poco onerose…

 …tranne una, che ci creerà non pochi problemi.


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Il secondo problema: raggiungere un oggetto

 Ora che abbiamo capito come si definisce la posizione di un oggetto, dobbiamo inventarci una macchina che possa raggiungere tale posizione


Occorrono componenti fisici:

La pinza…

Assi di legno…

Chiodi…


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Dopo un po’ di tempo:

 Ma questa struttura è rigida, e non serve a niente!


Rifacciamo tutto:

 Perché questa struttura funziona?

 Perché non è rigida  Però attenzione: funziona

solo parzialmente


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Parlando tecnicamente:

 Segmenti (Link)   In prima approssimazione sono

perfettamente rigidi   Hanno massa nulla

Giunti (Joints) Collegano fra loro i link Permettono certi movimenti e non altri, cioè tolgono alcuni gradi di libertà e ne lasciano altri (spesso uno solo)


I sei tipi di giunti primari:

Cilindrico (rettilineo)

Di rotazione

Sferico

Planare (piano)

Prismatico (rettilineo)

Elicoidale (rettilineo)


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Tipi di movimenti permessi:

 Rotazioni (intorno ad un asse)

 Traslazioni (movimenti paralleli a se stessi)


Giunti e movimenti:

Traslazioni

Rota

zion

i 0 1 2 3

0

1

2

3

(Saldatura)

Rotatorio

Prismatico

Cilindrico

Sferico

Planare

Polso umano

Veicolo spaziale


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È abbastanza evidente che…

 L’estremità del nostro braccio ideale deve potersi muovere in sei modi diversi (deve avere sei gradi di libertà)

 Per ottenere ciò, dobbiamo utilizzare almeno sei possibilità di movimento

 Ma la combinazione dei giunti deve essere opportuna…  E anche la loro disposizione


Per esempio:

 Sì   Tre traslazioni e tre rotazioni   Due traslazioni e quattro

rotazioni   Una traslazione e cinque

rotazioni   Sei rotazioni

 No   Sei traslazioni   Cinque traslazioni e una

rotazione   Ecc.


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Ma devono anche essere ben disposte:

Queste strutture non vanno bene!


Un giunto “speciale”:

 Il giunto sferico equivale all’unione di tre giunti di rotazione, i cui assi sono ortogonali fra di loro e si incontrano nello stesso punto.

 Questo semplifica moltissimo alcuni calcoli

 Purtroppo non è facilissimo da costruire…

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