Attuatori e Sensori

Harmonic Drive: un riduttore molto usato in robotica per le sue doti di compattezza e per il gioco ridotto (cortesia Harmonic Drive).

Un sistema robotico è il risultato dell’interconnessione di quattro sotto-sistemi: il sistema meccanico, il sistema di attuazione, il sistema di misura ed infine il sistema di controllo. Mentre il secondo numero di Didattica della Robotica è stato dedicato alla descrizione del sistema meccanico, in questo numero verranno illustrate le caratteristiche del sistema di attuazione e del sistema di misura.

Attuatori

Il compito del sistema di attuazione è di produrre il moto dei giunti impostato dal sistema di controllo  ed è generalmente composto da: una sorgente di alimentazione, un amplificatore di potenza, un servomotore e un organo di trasmissione. Di seguito particolare attenzione verrà prestata alla descrizione degli organi di trasmissione e dei servomotori maggiormente utilizzati in robotica.

Organi di trasmissione

L’esecuzione del moto dei giunti richiede basse velocità e alte coppie. Tuttavia questi requisiti non permettono di sfruttare in modo efficace le caratteristiche meccaniche dei servomotori, che al contrario producono elevate velocità e basse coppie in condizioni operative ottimali. La funzione di un organo di trasmissione è quindi di rendere compatibili velocità e coppie dei motori e dei carichi movimentati e di realizzare il trasferimento di coppia meccanica dagli uni agli altri. Gli organi di trasmissione permettono inoltre di migliorare le prestazioni statiche e dinamiche alleggerendo la struttura meccanica attraverso il posizionamento dei motori alla base del robot.

Le trasmissioni tipicamente adottate nei robot industriali sono: le ruote dentate (che consentono la rotazione/traslazione dell’asse di rotazione), le coppie vite-madrevite (che convertono il moto rotatorio in traslatorio), le cinghie dentate e le catene (che consentono di dislocare il motore rispetto all’asse del giunto), gli alberi di trasmissione e gli harmonic drive. Questi ultimi in particolare sono riduttori molto usati in robotica per le loro doti di compattezza e per il gioco ridotto.

Servomotori

La movimentazione dei giunti è affidata a motori che permettono la realizzazione del moto desiderato della struttura meccanica. A seconda del tipo di potenza in ingresso i motori possono essere classificati in tre gruppi:

  • pneumatici- trasformano l’energia pneumatica fornita da un compressore in energia meccanica attraverso pistoni e turbine;
  • idraulici- trasformano l’energia idraulica immagazzinata in un serbatoio di accumulazione in energia meccanica grazie a pompe specifiche;
  • elettrici- utilizzano l’energia elettrica fornita dal sistema di distribuzione e la trasformano in energia meccanica.

I principali requisiti che si pongono nell’utilizzo di questi motori sono:

  • bassa inerzia ed elevato valore del rapporto potenza/peso
  • possibilità di sovraccarico
  • capacità di sviluppare elevate accelerazioni
  • ampio campo di variazione delle velocità
  • elevata precisione di posizionamento

Tra le tre tipologie di motori presentate, quella che ottimizza il soddisfacimento di tali requisiti è costituita dai motori elettrici a magneti permanenti, a corrente continua (a spazzole e collettore) oppure a commutazione elettronica (brushless). Altri vantaggi dei motori elettrici sono: la disponibilità di alimentazione, il costo contenuto, la vasta gamma di prodotti, il buon rendimento, la facile manutenzione e l’assenza di agenti inquinanti. Sono tuttavia soggetti a surriscaldamento in situazioni statiche e necessitano di protezione in ambienti infiammabili.

Supponendo di adottare un motore a corrente continua e avendo a disposizione la misura di corrente, si può chiudere un anello di controllo sulla corrente stessa. Vista la dinamica veloce legata ai transitori elettrici si può progettare un controllore di corrente in grado di ottenere una banda passante molto ampia, dell’ordine delle migliaia di rad/s. Una volta chiuso l’anello di controllo della corrente, ai fini del progetto del controllore di posizione/velocità esterno (tema che verrà trattato in uno dei prossimi numeri) potremo quindi assumere come variabile di controllo direttamente la coppia motrice.

Le considerazioni appena fatte sono in realtà valide anche per un motore brushless a magneti permanenti, il cui modello elettrico può essere reso analogo a quello del motore a corrente continua.

Sensori
L’adozione di sensori è di fondamentale importanza per la realizzazione di sistemi robotici con prestazioni elevate. Possiamo distinguere due tipologie principali: i sensori propriocettivi e quelli esterocettivi.

I primi misurano lo stato interno del robot, ovvero: la posizione e la velocità di giunto, e la coppia al giunto. Il loro utilizzo è necessario per la calibrazione cinematica, per l’identificazione dei parametri dinamici e per il controllo.

I sensori esterocettivi invece consentono di caratterizzare l’interazione del robot con l’ambiente esterno, aumentandone l’autonomia. I sensori esterocettivi più comunemente adottati sono: i sensori di forza, i sensori tattili, i sensori di prossimità ed infine i sensori di visione. Il loro utilizzo riveste un ruolo centrale per il controllo dell’interazione con l’ambiente, per l’evasione da ostacoli (obstacle avoidance), per la localizzazione di robot mobili e per la navigazione in ambienti sconosciuti.

Sensori propriocettivi

Sensori di posizione

I sensori di posizione forniscono un segnale elettrico proporzionale allo spostamento (lineare o angolare) di un organo meccanico rispetto a una posizione di riferimento. Tra i vari sensori di posizione, gli encoder e i resolver sono quelli maggiormente usati in robotica per la determinazione dello spostamento angolare dei giunti prodotto dai servomotori.

L’encoder è un trasduttore di posizione, il cui funzionamento si basa sul principio fotoelettrico, in grado di convertire la posizione angolare in un codice digitale. Ci sono due tipi principali di encoder: assoluto e incrementale. L’encoder assoluto permette la codifica della posizione assoluta ed è costituito da un disco con aree trasparenti ed opache, disposte su colone circolari concentriche, esposto ad un fascio di luce infrarossa acquisito da foto-ricevitori. L’encoder incrementale invece misura lo spostamento incrementale ed è costituito da un disco con due tracce in cui sono disposte alternativamente zone trasparenti ed opache. Gli encoder incrementali hanno un uso più comune rispetto a quelli assoluti, poiché sono più semplici da realizzare e quindi meno costosi.

Un resolver è un trasformatore elettrico utilizzato per misurare l’angolo di rotazione. La maggior parte dei resolver hanno l’aspetto di un motore elettrico con avvolgimenti in rame sullo statore e un rotore di metallo lavorato.  L’accoppiamento induttivo tra gli avvolgimenti del trasformatore varia in funzione dell’angolo. Pertanto, se si eccita il trasduttore di posizione angolare con un segnale in corrente alternata e si misura la tensione degli avvolgimenti del trasformatore, si ottiene un segnale elettrico in corrente alternata la cui ampiezza è proporzionale all’angolo.

Sensori esterocettivi

Sensori di forza

Un robot si trova comunemente ad interagire con l’ambiente di lavoro, manipolando oggetti o compiendo operazioni su superfici (si pensi a finitura, sbavatura, lavorazioni di parti meccaniche, assemblaggio). Come vedremo in un uno dei prossimi numeri, in queste condizioni è opportuno adottare strategie di controllo che tengano opportunamente conto delle forze che si generano al contatto. Per questo occorre utilizzare dispositivi per la misura delle forze (e delle coppie). Tale misura è indirettamente ricavabile dalla misura della deformazione di un elemento elastico soggetto alla forza (coppia) chiamato estensimetro, la componente di base di un sensore di forza. L’estensimetro sfrutta la variazione di resistenza di un conduttore al variare della lunghezza e della sezione.

Un sensore di forza comunemente adottato nei manipolatori robotici permette la misura delle tre componenti di forza e le tre componenti di momento rispetto ad un sistema di riferimento solidale al sensore. La struttura del sensore, esternamente di forma cilindrica, è interposta fra l’ultimo braccio (link) e l’organo terminale del robot ed è costituita da un certo numero di elementi deformabili sotto l’azione di forza e coppia.
Su ogni elemento è incollata una coppia di estensimetri per ogni direzione rilevante di deformazione, che si deformano in modo opposto (ad esempio in trazione/compressione).
La disposizione più ricorrente degli estensimetri è detta a croce di Malta.

Visione

Gli organi di visione artificiale sono sensori utili per la robotica poiché imitano il senso umano della vista e consentono misure dell’ambiente senza il contatto. Oggi esistono diversi controllori robotici che integrano sistemi di visione. Alternativamente, le misure visive possono essere utilizzate direttamente in un anello di retroazione per realizzare il controllo di posizione in anello chiuso dell’organo terminale. Si parla in questo caso di tecniche di visual servoing.

La telecamera è sicuramente il sensore di visione più diffuso. Una telecamera è un dispositivo in grado di misurare l’intensità della luce, concentrata da una lente su un piano, il piano immagine, contenente una matrice di pixel che trasformano l’energia luminosa in energia elettrica. La telecamera effettua quindi una proiezione 2D della scena inquadrata. Questa proiezione causa una perdita delle informazioni di profondità: ciascun punto nel piano immagine corrisponde ad un raggio nello spazio 3D. Per determinare le coordinate 3D di un punto corrispondente ad un punto 2D nel piano occorrono informazioni addizionali, come:

  • viste multiple con una singola telecamera
  • telecamere multiple
  • conoscenza di relazioni geometriche tra punti caratteristici di un oggetto

La telecamera utilizzata in un sistema di visione robotico deve essere inoltre calibrata. La calibrazione può essere distinta in due tipologie:

  • calibrazione interna-consente la determinazione dei parametri intrinseci della telecamera, ad esempio la distanza focale, e di parametri addizionali di distorsione dovuti ad imperfezioni della lente e a disallineamenti del sistema ottico.
  • calibrazione esterna- permette di determinare i parametri estrinseci della telecamera quali la posizione e l’orientamento della telecamera rispetto ad un sistema di riferimento.

Infine, le seguenti configurazioni sono quelle comunemente adottate in robotica:

  • eye-in-hand. La telecamera è montata sull’end-effector del manipolatore robotico. Esiste pertanto una relazione fissa tra la posizione della telecamera e quella dell’organo terminale;
  • eye-to-hand. La telecamera è fissa nello spazio di lavoro.

 

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