Cosa si intende esattamente per robot? Quali sono le componenti di un sistema robotico e le strutture meccaniche di un robot industriale?
Sono questi i temi affrontati nel secondo numero di Didattica della robotica.
Prima di tutto…
Che cosa è un robot?
Non esiste un’unica risposta a questa domanda. Sono infatti tre le definizioni di robot comunemente accettate:
• Robotic Institute of America (RIA):
Un robot è un manipolatore multifunzionale e riprogrammabile, progettato per muovere materiali, parti, attrezzi o dispositivi specialistici attraverso movimenti programmati variabili, per l’esecuzione di una varietà di compiti. Un robot acquisisce inoltre informazioni dall’ambiente e si muove in modo intelligente di conseguenza.
• ISO 8373:
Un robot è un manipolatore controllato automaticamente, riprogrammabile, multi-funzione, a tre o più assi, che può essere fissato a terra o mobile, ed è utilizzato per applicazioni di automazione industriale.
• Un robot è la connessione intelligente tra percezione e azione.
Queste tre definizioni presentano sfumature diverse, ma da ciascuna di esse emerge come un robot sia molto più che un semplice dispositivo meccanico. Un robot, o meglio un sistema robotico, è infatti un sistema complesso che può essere rappresentato come una serie di sotto-sistemi interconnessi (vedi figura 1):
1) Una delle componenti essenziali di un sistema robotico è sicuramente il sistema meccanico. Nell’ambito della robotica per applicazioni industriali (robotica industriale) il sistema meccanico coincide con l’apparato di manipolazione. Nella robotica di servizio e nella robotica per l’esplorazione invece il sistema meccanico può essere ulteriormente dotato di un apparato di locomozione.
2) La capacità di compiere un’azione di manipolazione (e/o di locomozione) è fornita dal sistema di attuazione, costituito dai servomeccanismi, i motori e le trasmissioni. Facendo un paragone anatomico, mentre il sistema meccanico coincide con lo scheletro, il sistema di attuazione rappresenta il sistema muscolare.
3) In analogia all’essere umano, la capacità di percezione è garantita dal sistema sensoriale in grado di acquisire dati sullo stato interno del sistema meccanico (si parla in questo caso di sensori propriocettivi, come i trasduttori di posizione) ma anche sullo stato esterno dell’ambiente (sensori esterocettivi, come i sensori di forza e i sensori di visione).
4) Infine, la capacità di connettere percezione e azione in modo intelligente è fornita dal sistema di controllo, in grado di comandare l’esecuzione di azioni al sistema di attuazione sulla base del compito (task) che il robot deve eseguire, e sulla base dei vincoli imposti dal robot stesso e dall’ambiente esterno. Il sistema di controllo è a tutti gli effetti il sistema nervoso centrale di un robot. Nella robotica industriale, il sistema di controllo risiede fisicamente nell’unità di controllo, generalmente dotata di un dispositivo di interfaccia uomo-macchina e di programmazione chiamato teach pendant.
Tra i quattro sotto-sistemi appena descritti, il sistema meccanico sarà quello analizzato in questo numero di Didattica della Robotica.
Il sistema meccanico
La struttura meccanica o catena cinematica (o più semplicemente braccio) di un manipolatore robotico è costituita da una serie di corpi rigidi (link) interconnessi da articolazioni meccaniche (vedi figura 2) i giunti (joint). Un’estremità della catena è costituita dalla base, fissata a terra. Al termine dell’ultimo link (flangia) troviamo l’organo terminale (end effector), su cui può essere montata una pinza (gripper) oppure uno strumento di lavoro (tool).
La catena cinematica si dice aperta quando esiste una sola sequenza di link che connette i due estremi della catena, cioè la base e l’end effector. La catena cinematica aperta è la struttura meccanica tipica di un manipolatore robotico industriale
L’articolazione meccanica tra due link consecutivi può essere realizzata mediante due tipi di giunti: prismatici o rotoidali, responsabili della mobilità del robot. Un giunto prismatico crea un moto relativo traslazionale tra i due link, mentre un giunto rotoidale genera un moto relativo rotazionale.
In una catena cinematica aperta ogni giunto prismatico o rotoidale fornisce alla struttura un singolo grado di libertà (in inglese degree of freedom, abbreviato DOF).
Il concetto di grado di libertà è di fondamentale importanza nella robotica, poiché il compito che può essere eseguito da un manipolatore è strettamente legato al numero di gradi di libertà distribuiti lungo la struttura meccanica. Ad esempio, se vogliamo che il robot sia in grado di posizionare ed orientare un oggetto in modo arbitrario nello spazio tridimensionale, saranno necessari 6 gradi di libertà (6 DOF): 3 per posizionare l’oggetto e 3 per orientarlo rispetto ad un sistema di coordinate di riferimento. Questo è il motivo per cui la maggior parte dei robot industriali presentano 6 giunti e 6 link.
Come vedremo più in dettaglio in uno dei prossimi numeri, se il numero di gradi di libertà di cui è dotato un robot è maggiore del numero di gradi di libertà effettivamente necessari per eseguire un certo compito, il manipolatore si dice ridondante da un punto di vista cinematico.
Lo spazio di lavoro (workspace) infine rappresenta quella porzione di ambiente accessibile dall’end effector del manipolatore.
Le strutture meccaniche tipiche
Il tipo e la sequenza dei gradi di libertà permette di individuare delle strutture meccaniche ricorrenti per i manipolatore robotici industriali (a catena cinematica aperta):
• Robot Cartesiano - La geometria Cartesiana è realizzata attraverso tre giunti prismatici. Questo tipo di struttura, che presenta una elevata rigidezza meccanica, permette il posizionamento (ma non l’orientamento) di un oggetto con molta precisione.
• Robot SCARA- La geometria SCARA è costituita da due giunti rotoidali e da un giunto prismatico. SCARA è l’acronimo di Selective Compliance Robot Arm, ovvero braccio robotico a cedevolezza selettiva. Come suggerisce il nome, la caratteristica principale di un robot SCARA è proprio quella di presentare una rigidezza variabile: elevata rispetto ai carichi verticali, e ridotta rispetto ai carichi orizzontali. Questa caratteristica strutturale lo rende particolarmente adatto ad eseguire compiti di assemblaggio verticale.
• Robot antropomorfo – Quella antropomorfa è la geometria tipicamente adottata nella maggior parte dei manipolatori robotici industriali. La struttura portante è costituita da tre giunti rotoidali. In virtù della somiglianza con il braccio umano, il secondo giunto è chiamato spalla, mentre il terzo è chiamato gomito. Al fine di permettere l’orientamento arbitrario di un oggetto nello spazio tridimensionale, la struttura portante è ulteriormente dotata di un polso, generalmente sferico, anch’esso costituito da tre giunti rotoidali.
Le nuove strutture meccaniche
La ridondanza cinematica, che verrà analizzata in dettaglio in uno dei prossimi numeri, e la sicurezza intrinseca della struttura meccanica nei confronti di un operatore, sono le due caratteristiche dei nuovi manipolatori robotici, che hanno permesso la nascita della robotica collaborativa.
• Robot leggero (lightweight) ridondante – Questo nuova tipologia di robot, comunemente denominato robot collaborativo o più brevemente Cobot, combina ridondanza cinematica, grazie ai 7 giunti rotoidali, per garantire una maggiore destrezza nell’esecuzione del compito, con una struttura meccanica leggera, intrinsecamente sicura in caso di contatto con un operatore.
• Robot a doppio-braccio (dual arm)- La geometria a doppio-braccio o bimanuale è costituita da due bracci antropomorfi (6 DOF) o ridondanti (7 DOF) fissati ad un torso. Questa struttura meccanica è particolarmente adatta per l’esecuzione di operazioni di assemblaggio, poiché permette di evitare l’adozione di sistemi di serraggio delle parti (fixtures), altrimenti necessari con un robot a singolo braccio. Nella sua versione lightweight e/o ridondante un robot a doppio-braccio è a tutti gli effetti un Cobot.
