Robot End Effector: tipologie e innovazioni

Vi è molto di nuovo negli end effector dei robot, con nuoi sensori, migliori materiali, migliori design e nuovi player che stanno apportando significative innovazioni.

In robotica si intende per End Effector il dispositivo o il tool che, posto all’estremità di un braccio robotico, è concepito per manipolare oggetti, ovvero la parte che viene in contatto con l’oggetto o il pezzo che deve essere movimentato, controllato o lavorato. Un End Effector è quindi la parte del robot che interagisce con l’ambiente, con una struttura hardware e un software di controllo che dipendono dal compito che deve essere eseguito; da considerare che con End Effector si indica più in generale qualsiasi dispositivo che può essere installato al polso di un robot, e un sinonimo è End Of Arm Tooling (EAOT). Altro riferimento concettuale è la suddivisione in due tipi: gripper (pinze, dispositivi di presa), per prendere e manipolare oggetti, e tool, per effettuare processi e lavorazioni su pezzi e oggetti. Per i gripper, in letteratura si trovano della suddivisioni di dettaglio, per esempio basate sulle superfici che entrano in contatto con un oggetto, da cui gripper unilateral, se solo una entra in contatto, ed è il caso dei gripper a vuoto e dei gripper magnetici, oppure bilateral gripper, se le superfici che toccano il pezzo sono due o più. Con un’altra suddivisione si privilegiano le modalità con cui il contatto avviene, e come casi possibili si può avere:  “impactive”, malamente traducibile in impattante, che prevede una presa vera e propria, tipo l’afferrare con una mano; “ingressive”, dove tramite strutture a pettine, aghi o pin si penetra direttamente la superficie di un materiale per sollevarlo e movimentarlo, per esempio nel caso di tessuti o materiali analoghi; “astrictive”, dove sono applicate forze di suzione tramite il vuoto (vacuum gripper), o anche magnetiche in caso di materiali ferrosi; “contigutive”, con forze di contatto diretto per adesione (adhesive gripper),tramite collanti, per esempio. Per quanto riguarda i tool, ovviamente dipende dal tipo di lavorazione da effettuarsi, e giusto per riferirsi a esempi tra i più noti si possono ricordare taglio e saldatura.

 

I gripper di presa

I gripper più diffusi sono quelli di presa, e le applicazioni più usuali in cui sono adottati vanno da assemblaggio, machine loading/unloading, packaging, pallettizzazione/depallettizzazione, a movimentazione parti. Considerando i modelli multi-finger, cioè le pinze a più dita, le tipologie più comuni sono quelle parallele e quelle centriche. Le pinze parallele prevedono due dita che si aprono e si chiudono lungo un singolo asse, mentre in quelle centriche  vi sono tre dita che si aprono e si chiudono attorno a un punto centrale. Le multi-finger sono ideali per operazioni che richiedono ripetibilità e una certa quantità di forza di presa su parti che si presentano in modo individuale alla pinza. Entrambe le tipologie possono prevedere dita sostituibili o anche customizzabili direttamente dall’utente a seconda del compito da svolgere. Da considerare che vi sono alcuni parametri da valutare prima di scegliere l’attrezzatura più adeguata. Un primo parametro è il payload, da intendersi come il peso massimo che un End Effector può movimentare, e che rappresenta un fattore limitante di un cella robotizzata: infatti, anche se un robot, come da sue specifiche, ha un payload per esempio di 80Kg mentre l’End Effector che si sceglie ha solo 5 Kg, l’applicazione viene limitata a 5 kg. Altro parametro è la forza che, in quanto applicata direttamente dalle “dita” costituenti la pinza sull’oggetto, va calibrata a seconda del materiale; la soluzione ideale laddove si preveda la manipolazione di oggetti strutturalmente diversi è optare per dei gripper che prevedono una “grip force” aggiustabile caso per caso, e sul mercato sono disponibili gripper con molteplici livelli di setting: come esempio, fino a forze di 200 netwon, con incrementi al di sotto del netwon. Per “gripper stroke” si intende invece l’apertura massima tra le dita della pinza, che limita la dimensione degli oggetti che possono essere afferrati e movimentati, e altro limite è quello del peso del gripper stesso: dato un robot con payload 5Kg, se il gripper pesa 0,8Kg l’applicazione può gestire ovviamente solo parti o pezzi fino a 4,8Kg. Una particolare linea di sviluppo, motivata anche dalle esigenze di sicurezza, è quella dei “soft” End Effector, pinze con superfici di contatto soffici e gommose che permettono una presa delicata, per esempio compatibile con le specifiche alimentari. Si tratta spesso di particolari superfici siliconiche che, riempite con aria compressa, assumono diverse geometrie per adattarsi alle più svariate superfici degli oggetti da afferrare. Ricerche e realizzazioni non mancano, e tra le ultime ha avuto particolare eco una mano robotica in silicone del laboratorio di intelligenza artificiale del MIT, in grado di manipolare oggetti delicati come un uovo oppure sottili come un DVD. Per quanto siano già disponibili prototipi di questo tipo, qui si evidenzia un’innovazione tecnologia non usuale: i robot sono spesso limitati nei compiti che possono essere loro assegnati a causa della difficoltà di interagire con oggetti inizialmente sconosciuti di differente forma e dimensione, e per superare questo limite è stato concepito un “dynamic grasping”. La mano artificiale del MIT prevede tre dita, ciascuno con speciali sensori che consentono di stimare accuratamente dimensione e forma di un oggetto, in modo da poterlo identificare da un set di item multipli acquisiti in una precedente fase di training. Più in dettaglio, la mano robotica integra dei “resistive bend sensor” che cambiano la loro resistenza al variare del bending, o piegatura, delle dita, da cui la possibilità di creare una relazione tra l’oggetto da afferrare e la configurazione che la soft hand deve avere quando lo afferra. In sostanza, quando il gripper si avvicina a un oggetto, le dita inviano dei “location data” basati sulla loro curvatura, e usando questi dati il robot può afferrare un oggetto sconosciuto grazie al confronto con dei data point che rappresentano passati oggetti già afferrati in fase di training. Praticamente, come un umano bendato che toccando un oggetto lo sente e capisce di cosa si tratta e lo afferra. Le tre dita possono facilmente essere integrate in un qualsaisi robot tramite un interfaccia standardizzata realizzata con stampa 3D. Come ulteriore dettaglio, il controllo del gripper avviene tramite una serie di pistoni pneumatici che regolano il flusso d’aria nelle dita di silicone; i pistoni sono gestiti da un attuatore lineare che è a sua volta controllato da un PC che riceve via linea seriale i dati dell’operazione di grasping.

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