Robotica - Scuola · Manipolatore cartesiano • Tre giunti prismatici • Ad ogni grado di...

Fondamenti di robotica

Introduzione al corso

Prof. Gianantonio Magnani ([email protected])

Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Magnani [2]

Robotica

Robot IEEE Robotics and Automation Societyhttp://wiki.ieee-ras.org/student

Robot roomblahttp://store.irobot.com/category/index.jsp?categoryId=3334619

RobotRobot da cucina

Robot pagina di google industrial robothttp://www.google.com/#q=robot+industrial&hl=en&prmd=ivns&source=univ&tbs=vid:1&tbo=u&sa=X&ei=UMVyTeHDAs208QPZ1amvCA&sqi=2&ved=0CGQQqwQ&fp=a924d6aaad554860

http://wiki.ieee-ras.org/student

http://store.irobot.com/category/index.jsp?categoryId=3334619

http://www.google.com/#q=robot+industrial&hl=en&prmd=ivns&source=univ&tbs=vid:1&tbo=u&sa=X&ei=UMVyTeHDAs208QPZ1amvCA&sqi=2&ved=0CGQQqwQ&fp=a924d6aaad554860




Robotica avanzata e industriale

Robotica• studia le macchine che possano sostituire l’uomo nell’esecuzione di un compito, sia in termini di attività fisica che decisionale.• studia la connessione intelligente tra percezione e azione

Si distingue tra:Robotica di servizio• applicazioni domestiche, assistenza medica, robotica per protesi mediche, intrattenimento, agricoltura, education, … •applicazioni in ambiente ostile (spaziale, sottomarino, nucleare, militare…)

Robotica industriale• applicazioni dei robot in ambito industriale• tecnologia matura e affidabile


Il robot industrialeIl robot è un manipolatore multifunzionale riprogrammabile, progettato per muovere materiali, parti, attrezzi o dispositivi specialistici attraverso movimenti programmati variabili, per l’esecuzione di una varietà di compiti(Robot Institute of America, 1980)

Componente di qualità dei sistemi di produzione automatizzati(soft automation vs. hard automation)

Comunanze nelle funzioni di controllo, nel software e nel hardware con diversi altri componenti dei sistemi di produzione … COMAU SpA


Il robot industrialeIl robot si compone di:

Struttura meccanica: catena meccanica, attuatori e sensori

Unità di governo

COMAU SpA

CO

MA

U SpA


Il sistema meccanicoLa catena meccanica è costituito da una serie di corpi rigidi (link) connessi da giunti

Un’estremità della catena (primo link) è costituita dalla BASE, di norma fissata a terra.

All’ultimo link (flangia terminale) si collega l’END EFFECTOR (pinza, strumento di lavoro) o organo terminale

Ogni giunto è un grado di libertà del robot

Nella catena meccanica si individua una struttura portante che garantisce il posizionamento ed un POLSO che fornisce i gradi di libertà di orientamento dell’EE


La catena meccanica

polso

spalla

braccio

link

base

link

flangia

giunto dirotazione

giunto

7 gradi di libertà o mobilità (7 dof) Terminologia essenziale


Strutture portantiManipolatore cartesiano

• Tre giunti prismatici• Ad ogni grado di libertà ai giunti corrisponde un grado di libertà cartesiano• Molto rigido meccanicamente

Manipolatore a portale

• Per la manipolazione di oggetti di peso rilevante

I disegni sono tratti dal testo:L.Sciavicco, B.SicilianoRobotica industriale – Modellistica e controllo di robot manipolatori (2a ed.)Mc Graw-Hill, 2000


Strutture portantiManipolatore cilindrico

• Un giunto rotoidale e due prismatici• Coordinate cilindriche• Buona rigidezza meccanica

Manipolatore sferico

• Due giunti rotoidali ed uno prismatico• Coordinate sferiche

• Discreta rigidezza meccanica



Strutture portantiManipolatore SCARA

• Due giunti rotoidali e uno prismatico• Rigido a carichi verticali e cedevole a carichi orizzontali• “Selective Compliance Assembly Robot Arm”

Manipolatore antropomorfo

• Tre giunti rotoidali• Struttura destra

• Rigidezza meccanica variabile con la configurazione



Polso sferico

3 gradi di libertà di rotazioneAssi di rotazione che si intersecano in un solo punto

utensile pinza

flangia


Esempi di robot industrialiAdeptOne XL

• Struttura SCARA• Quattro giunti• Portata 12 Kg• Ripetibilità: 0.025÷0.038 mm

COMAU SMART S2

• Struttura antropomorfa• Sei giunti

• Portata 16 Kg• Ripetibilità: 0.1 mm

Gli esempi sono tratti dal testo:L.Sciavicco, B.SicilianoRobotica industriale – Modellistica e controllo di robot manipolatori (2a ed.)Mc Graw-Hill, 2000


Esempi di robot industrialiABB IRB 4400

• Struttura antropomorfa con parallelogramma• Sei giunti• Portata 60 Kg• Ripetibilità: 0.07÷0.1 mm

Unità lineare Kuka KL 250 con robot KR 15/2• Struttura antropomorfa montata su slitta con

installazione a portale • Sei giunti + giunto lineare

• Portata 25 Kg• Ripetibilità: 0.1 mm



Esempi di robot industrialiRobotics Research K-1207i

• Struttura antropomorfa• Sette giunti • Giunto addizionale rotoidale: aumenta destrezza e consente di ripiegare

FANUC I-21i

• Struttura antropomorfa• Sei giunti

• Sensore di forza• Sistema di visione 3D



Componenti dei robot industriali

Integrati nella o applicati alla catena meccanica

• attuatori (motori elettrici, riduttori)

• sensori propriocettivi (di posizione dei motori e raramente dei link)

• sensori eterocettivi (di visione, forza, prossimità, distanza)

• organo terminale (end-effector) - es. pinze di presa e di saldatura a punti, saldatore ad arco, pistole di verniciatura, spalmatori, ecc

esempihttp://www.youtube.com/watch?v=DkNVhtOCcrE

http://www.youtube.com/watch?v=DkNVhtOCcrE


Dexarm

jfr_paper_dexarm.pdf

Fondamenti di robotica - Introduzione - G. Mgnani [17]

Elettronica


Applicazioni tipiche (COMAU SpA)

Saldatura a Punti

Saldatura ad arco

Assemblaggio

Movimentazione

Carico – Scarico Macchine

Sigillatura - Siliconatura

Automazione Linee Interpresse

Lavorazione

File comau


Il sistema di controlloE’ un sistema elettronico - informatico complesso e sofisticato.

Funzioni principali:• Interfaccia con l’operatore (MMI)• Programmazione dei compiti• Pianificazione delle traiettorie• Controllo in tempo reale del moto dei giunti• Immagazzinamento dati• Gestione dell’interazione con altre macchine• Diagnostiche, gestione malfunzionamenti

Hardware • Unità di elaborazione e controllo (multi-microprocessore)• Elettronica di potenza• Dispositivo d’interfaccia uomo macchina e programmazione (teach pendant)• Interfacce di I/O e comunicazione


ProgrammazioneI compiti dei robot si programmano con linguaggi simili a quelli usati per i computerPossono essere fornite interfacce specifiche per applicazioni frequenti (es. saldatura, verniciatura)Ambiente di programmazione integrata (teaching-by-doing con comando manuale)

Sistemi di coordinate• giunto• terna base (cartesiane) • utensile (tool) (cartesiane)

Tipi di movimenti• punto a punto nei giunti• punto a punto nello spazio operativo• secondo traiettorie lineari, circolari o interpolate

http://www.youtube.com/watch?v=ghV1xkUR8JU


ProgrammazioneEsempio di programma

PROGRAM pezzoVAR riposo, trasp, tavola, scarto : POSITIONBEGIN CYCLE

MOVE TO riposoOPEN HAND 1WAIT FOR $DIN(1) = ON % trasportatore prontoMOVE TO traspCLOSE HAND 1IF $DIN(2) = OFF THEN % se il pezzo è buono

MOVE TO tavolaELSE

MOVE TO scaricoENDIFOPEN HAND % depone il pezzo su tavola o in cont. scarti

END pezzo

Il robot prende un pezzo dal nastro trasportatore e lo trasferisce o su una tavola o nel contenitore di scarto a seconda di $DIN(2)


Argomenti del corso

• Cinematica (diretta ed inversa)

• Cinematica differenziale e statica

• Pianificazione di traiettorie

• Dinamica (casi semplici + laboratorio informatizzato / simulazione)

• Controllo• “livello servo” (controllo del moto dei singoli giunti)(laboratorio informatizzato / simulazione)• controllo multivariabile e con sensori eterocettivi (cenni)

Il corso è orientato al controllo dei robot industrialiGli argomenti corrispondono alle principali funzioni di controllo

Per confronto: Introduction to Robotics , prof. Oussama Khatib, Stanford Univ.http://see.stanford.edu/see/courseinfo.aspx?coll=86cc8662-f6e4-43c3-a1be-b30d1d179743

http://see.stanford.edu/see/courseinfo.aspx?coll=86cc8662-f6e4-43c3-a1be-b30d1d179743


Cinematica

Studio analitico del moto della catena (dell'organo terminale) indipendentemente dalle forze / coppie che lo determinano.

Legame tra le variabili di giunto e posizione e orientamento dell'end-effector

cinematica diretta<=============>cinematica inversa

Inversione cinematica⇒ elemento centrale di un controllore⇒ presenta diverse problematiche (soluzione non unica, puntisingolari)

[ ]′= nqqq ...21q ),,,,,( γβαzyxP=P


Cinematica diretta: esempio

Per manipolatori a più gradi di libertà occorrono procedimenti sistematici per ricavare le equazioni della cinematica diretta.

( ) ( )( ) ( )21211

21211

sinsin

coscos

qqlqly

qqlqlx

++=

++=

x

y

q1

q2


Cinematica differenziale

Il legame è espresso da una matrice, detta Jacobiano del manipolatore

Studia il legame tra le velocità dei giunti e la “velocità” dell‘organo terminale

cinematica differenziale<=============> [ ]′= nqqq &&&& ...21q ωp,&

1q&p&


StaticaEsprime il legame tra un vettore di forze F applicate all’end effector e il corrispondente vettore di coppie generalizzate τ che tiene in equilibrio il sistema.

x

y

q1

q2

Fa

( ) ( )( )( ) a

a

FqqlFqqlql

2122

212111

sinsinsin

+−=++−=

ττ

[ ]′= zyxzyx FFF τττF

[ ]′= − nn τττττ 1321 ...τ


Dinamica

Legame analitico tra le forze / coppie applicate ai giunti (della catena) e ilmoto della catena.

dinamica direttaτ(t) <=============> q(t)

dinamica inversa

coppie generalizzate

dinamica diretta: interesse per simulazionedinamica inversa: interesse per controllo

[ ]′= − nn τττττ 1321 ...τ

La derivazione del modello dinamico è operazione molto complessa(tecniche automatiche e/o elaborazione simbolica)


Pianificazione della traiettoria

Obiettivo:calcolare i movimenti (leggi di moto) dei giunti (q(t)) affinché

⇒ l’organo terminale segua traiettorie desiderate nellospazio di lavoro⇒ il robot si muova in modo regolare smooth

Generare (calcolare):⇒ leggi di moto compatibili con i limiti di velocità eaccelerazione dei motori, di durata minima o compatibilecon le esigenze operative⇒ traiettorie rettilinee, circolari, interpolanti ...


Architettura di controllo del movimento

Controllo del movimento

Si adotta un’architettura costituita da tre moduli:

Inversione cinematica Controllo d'asseGenerazione della

traiettoria

xd qd

q

τ


Controllo indipendente dei giunti

Il controllo d’asse nei controllori robotici industriali tipicamente prevede che ciascuna coordinata di giunto venga controllata indipendentemente(servomeccanismo di posizione)

I singoli problemi di controllo sono assimilabili a quelli del controllo di servomeccanismi, il che giustifica l’approfondimento che sarà fatto su questo argomento.

q2

τ2qd2

qn

τnqdn

R1

q1

τ1qd1

R2

Rn


Controllo indipendente dei giunti

I servomeccanismo di posizione si trovano in una varietà di macchine perprodurre:

⇒ macchine utensili (frese, torni, rettifiche, taglio laser, produzione stampi,piegatura e foratura lamiere, ecc)⇒ macchine lavorazione legno, pietre, alluminio …⇒ macchine tessili, per imballaggio, stampa …⇒ macchine di movimentazione (transfer)e sono realizzati con la stessa componentistica di quelli robotici

Comunanze anche con sistemi avionici e di difesa, informatici, consumer, automobilistici, ferroviari, ecc

Ampia tematica ⇒ “motion control”


Macchine utensili

Macchine utensili a 5 assi


I testi

Testo di riferimento

Testo per la parte di controllo del moto

Sito web con materiale aggiuntivo:http://home.dei.polimi.it/magnani/fondrobotica.htm

Introduzione SS Cap.1 (leggere)Cinematica SS Cap. 2 esclusi 2.6, 2.8.3, 2.9.2, 2.11

Robotica_6322-2.pdf

http://home.dei.polimi.it/magnani/fondrobotica.htm


Aspetti organizzativi

• Calendario e argomenti da fare / non fare sulla pagina web http://home.dei.polimi.it/magnani/fondrobotica.htm

• Laboratori in aula informatizzata

Modalità d’esame

• Esame scritto con domande ed esercizi (vietato l’utilizzo di dispositivi elettronici di qualsiasi tipo, incluse calcolatrici)

• Possibile un prova intermedia – non obbligatoria – sulla prima parte del corso. Chi fa la prova intermedia al primo appello fa l’esame solo sulla seconda parte

•Chi fa la prova intermedia con esito negativo non perde la possibilità di fare l’esame al primo appello sul programma completo

http://home.dei.polimi.it/magnani/fondrobotica.htm


LINK utili

www.controleng.com (informazioni su prodotti)

http://www.fieramilanoeditore.it/riviste/riviste.asp#divisionetechnology Altre riviste del settore

http://www.ieee-ras.org/ IEEE- Robotics and Automation Society

Siti di costruttori:comau, fanucrobotics, abbrobotics, kuka, reis, staubli, …

Altro sui robot e la robotica: http://wiki.ieee-ras.org/student

http://www.controleng.com/

http://www.fieramilanoeditore.it/riviste/riviste.asp#divisionetechnology

http://www.fieramilanoeditore.it/riviste/riviste.asp#divisionetechnology

http://www.ieee-ras.org/

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