Capitolo 2 : Robot industriale

Un sistema robotico utilizzato nella produzione è indicato come robot industriale. L'automazione, la programmabilità e la capacità di muoversi su tre o più assi sono le caratteristiche distintive dei robot industriali.

I robot sono utilizzati per un'ampia varietà di applicazioni, tra cui saldatura, verniciatura, assemblaggio, smontaggio, pick and place per circuiti stampati, imballaggio ed etichettatura, pallettizzazione, ispezione prodotti e collaudo; Tutte queste attività richiedono un alto livello di resistenza, velocità e precisione. Sono in grado di fornire assistenza per la movimentazione dei materiali.

Secondo le stime fornite dalla Federazione Internazionale di Robotica, nel 2020 ci saranno circa 1,64 milioni di robot industriali in uso in tutto il mondo. (IFR). Al giorno d'oggi, le persone fanno uso di un certo tipo di tecnologia nota come robot. I robot hanno trovato la loro strada in una varietà di campi, tra cui l'agricoltura, la produzione, la medicina, la tecnologia e persino i viaggi.

I robot industriali possono essere suddivisi in sei categorie distinte.

Robot con articolazioni articolate I loro bracci articolati sono in grado di eseguire un'ampia gamma di movimenti grazie alle loro articolazioni, che hanno diversi gradi di libertà.

I robot cartesiani sono dotati di tre giunti prismatici per lo spostamento dell'utensile e di tre giunti rotanti per l'orientamento nello spazio. Insieme, queste sei articolazioni costituiscono la tetrade del robot.

Un robot di questo tipo deve avere sei assi per poter muovere e posizionare l'organo effettore in tutte le direzioni (o gradi di libertà). In un ambiente con solo due dimensioni, è sufficiente avere tre assi: due per determinare lo spostamento e uno per determinare l'orientamento.

I robot che utilizzano coordinate cilindriche

I robot che operano in un sistema di coordinate sferiche possono avere solo giunti rotanti.

Sull'effettuatore del sistema SCARA, gli alberi rotanti sono disposti in orientamento verticale.

I robot SCARA sono utilizzati per attività che richiedono l'esecuzione di movimenti laterali precisi. Funzionano bene in situazioni che richiedono il montaggio.

Robot delta Sono costituiti da connessioni parallele tutte collegate alla stessa base. I robot Delta sono molto utili per i lavori che richiedono un controllo diretto e per quelli che richiedono alti livelli di manovrabilità (come le attività di prelievo e posizionamento rapido). I robot Delta utilizzano sistemi di collegamento a quattro barre o a parallelogramma.

Inoltre, i robot industriali possono avere un'architettura seriale o parallela.

Le architetture seriali, più spesso note come manipolatori seriali, sono il tipo più popolare di robot industriale. La loro costruzione è costituita da una serie di maglie che sono unite da giunti azionati da un motore e si estendono da una base a un effettore finale. Il sistema SCARA e i manipolatori di Stanford sono due esempi caratteristici di questo gruppo.

A differenza di un manipolatore seriale, un manipolatore parallelo è costruito in modo tale che ogni catena sia spesso piuttosto corta e semplice e, di conseguenza, possa essere rigida e resistente a movimenti indesiderati. Gli errori che si verificano nel posizionamento di una catena vengono mediati in combinazione con gli errori che si verificano nel posizionamento delle altre catene, piuttosto che essere accumulati. In un robot parallelo, ogni attuatore deve comunque muoversi entro il proprio grado di libertà, proprio come avviene in un robot seriale; Tuttavia, la flessibilità fuori asse di un giunto è anche limitata dall'effetto delle altre catene. Questo è in contrasto con un robot seriale, che ha solo un grado di libertà per attuatore. A differenza di una catena seriale, che perde gradualmente la sua rigidità man mano che vengono aggiunti più componenti, la rigidità ad anello chiuso di un manipolatore parallelo contribuisce alla rigidità complessiva del dispositivo nel suo insieme rispetto ai suoi singoli componenti.

Un elemento può essere spostato con un massimo di sei diversi gradi di libertà utilizzando un manipolatore parallelo completo (DoF), definito da tre coordinate di traslazione (tre T) e tre coordinate di rotazione (tre R) per una completa mobilità 3T3R.

Tuttavia, ogni volta che un lavoro di manipolazione richiede meno di 6 gradi di libertà, l'uso di manipolatori con un livello di movimento ridotto, con meno di 6 gradi di libertà, può fornire vantaggi in termini di un design architettonico più semplice, un controllo più semplice, un movimento più rapido e a un costo inferiore.

Prendiamo, ad esempio:

Il robot Delta a tre gradi di libertà, che ha una mobilità tridimensionale ridotta, si è dimostrato particolarmente utile per le applicazioni che richiedono un rapido posizionamento traslazionale pick-and-place.

Lo spazio di lavoro dei manipolatori a mobilità inferiore può essere scomposto in sottospazi di "movimento" e "vincolo".

Prendiamo, ad esempio:

Il sottospazio di movimento del robot Delta a tre gradi di libertà (DoF) è costituito da tre coordinate di posizione, mentre il sottospazio di vincolo è costituito da tre coordinate di orientamento.

Il sottospazio del movimento dei manipolatori a mobilità inferiore può essere ulteriormente scomposto in sottospazi indipendenti (desiderati) e dipendenti (concomitanti): costituiti da un movimento "concomitante" o "parassitario" che è un movimento indesiderato del manipolatore.

Quando si progettano efficaci manipolatori a bassa mobilità, è imperativo che gli effetti invalidanti del movimento simultaneo siano ridotti o eliminati del tutto.

Prendiamo, ad esempio:

Poiché l'effettore finale del robot Delta non gira, questa macchina non ha alcun movimento parassita.

C'è uno spettro di gradi di autonomia presente nei robot. Alcuni robot possono essere programmati per svolgere le stesse attività più e più volte (note come azioni ripetitive) con variazioni minime o nulle e un alto livello di precisione. Queste attività sono regolate da routine programmate che descrivono la direzione, l'accelerazione, la velocità e la decelerazione di una sequenza di movimenti coordinati. Viene specificata anche la distanza tra ogni movimento della serie.

Altri robot hanno un grado di adattabilità molto maggiore in termini di orientamento dell'oggetto su cui stanno operando o anche del compito che deve essere eseguito sull'oggetto stesso, che il robot potrebbe anche aver bisogno di identificare. Questi altri robot hanno molte più probabilità di essere utilizzati in una varietà di contesti. Ad esempio, i sottosistemi di visione industriale che funzionano come sensori visivi del robot e sono accoppiati a computer o controller sofisticati sono spesso inclusi nei robot in modo che possano fornire una guida più accurata. Il livello dell'intelligenza artificiale, o almeno di tutto ciò che può passare per essa, nei sofisticati robot industriali di oggi sta diventando un aspetto sempre più cruciale.

"Bill" Griffith P. Taylor terminò il primo robot industriale conosciuto nel 1937 e fu pubblicato su Meccano Magazine nel marzo 1938. Questo robot è stato il primo a corrispondere alla definizione ISO di robot industriale. I pezzi del Meccano sono stati utilizzati quasi esclusivamente nella costruzione dell'aggeggio simile a una gru, che era azionato da un unico motore elettrico. Era in grado di muoversi lungo uno qualsiasi dei cinque assi, compresa la presa e la rotazione durante la presa. È stato possibile automatizzare il movimento delle leve di comando della gru utilizzando nastro di carta perforato per fornire energia ai solenoidi, il che ha permesso di realizzare l'automazione. Il robot è stato in grado di impilare blocchi di legno in una varietà di configurazioni pre-programmate. Su un pezzo di carta millimetrata, i movimenti previsti sono stati inizialmente disegnati con la quantità necessaria di rotazioni del motore. Successivamente, le informazioni sono state copiate sul nastro di carta, anch'esso azionato dal singolo motore contenuto all'interno del robot. Nel 1997, Chris Shute ha costruito da zero una copia esatta del robot.

Nel 1954, George Devol presentò una domanda per i primi brevetti di robotica (concessi nel 1961). Unimation, fondata nel 1956 da Devol e Joseph F. Engelberger, è riconosciuta come la prima azienda a produrre in serie un robot. Un tempo i robot di unimazione erano anche conosciuti come macchine di trasferimento programmate. Ciò era dovuto al fatto che la loro funzione principale all'epoca era quella di spostare le cose da un luogo all'altro che si trovavano a poco più di poche decine di metri di distanza. Erano programmati in coordinate congiunte e utilizzavano attuatori idraulici. Ciò significava che gli angoli delle diverse articolazioni venivano salvati durante un periodo di allenamento e poi riprodotti quando il robot era in funzione. Erano precisi al massimo entro 1/10.000 di pollice (nota: sebbene l'accuratezza non sia una misura appropriata per i robot, di solito valutata in termini di ripetibilità - vedi dopo). Successivamente, Unimation concesse in licenza la sua tecnologia a Kawasaki Heavy Industries e GKN, che producevano rispettivamente Unimates in Giappone e in Inghilterra. Cincinnati Milacron Inc., con sede in Ohio, è stata l'unica rivale di Unimation per un po'. Quando alla fine degli anni '70 la situazione iniziò a cambiare, numerose grandi aziende giapponesi iniziarono a creare robot industriali molto simili a quelli già esistenti.

Nel 1969, Victor Scheinman dell'Università di Stanford ebbe l'idea di quello che sarebbe diventato noto come il braccio di Stanford....