La Robotica (industriale)

gronag

Utente Èlite
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INTRODUZIONE ALLA ROBOTICA INDUSTRIALE (parte prima)
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La parola "Robot" è di origine ceca ("robota" significa "lavoratore"); essa venne impiegata per la prima volta in un dramma utopico (a sfondo fantascientifico) del 1920 dello scrittore ceco Karel Capek (si pronuncia "Ciapek") e identificava degli umanoidi meccanici (in realtà inizialmente si trattava di "replicanti organici", simili a quelli visti in "Blade Runner") progettati dall'ingegnere Rossum per essere di ausilio all'uomo. In questa e in altre narrazioni i robot solitamente erano i protagonisti negativi in quanto si ponevano come antagonisti dell'uomo.
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Nel 1942 lo scrittore americano Isaac Asimov modificò questa "visione negativa" dei robot, immaginando che gli androidi sarebbero stati costruiti per compiere un determinato lavoro.
A lui va riconosciuto il merito di aver fondato la "Robotica", sebbene in chiave puramente fantascientifica, come "scienza della progettazione e della costruzione di robot".
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Nel racconto "The Caves of Steel" ("Abissi d'acciaio" in italiano) del 1953, Asimov immaginò che i robot dovessero incorporare, già in fase di progettazione, l'obbligo di sottostare alle tre leggi della robotica: 1) un robot non può causare danno ad un essere umano (prima legge della robotica); 2) un robot deve obbedire agli ordini di un essere umano a patto che tali ordini non contravvengano alla prima legge (seconda legge della robotica); 3) un robot deve proteggere la sua esistenza purché la difesa non contrasti con la prima e con la seconda legge (terza legge della robotica).
Dal 1961, anno in cui Unimation costruì (per la General Motors) il primo robot industriale chiamato "Unimate", ad oggi la robotica ha consentito un notevole salto qualitativo nel campo dell'automazione industriale.
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Vediamo ora la definizione precisa di robot data dall'ISO, in seguito vedremo cosa intendo io per robot: un robot industriale è un manipolatore con vari gradi di libertà, automatico e riprogrammabile (cioè le sue funzioni possono essere modificate senza cambiare la struttura meccanica del sistema), multiscopo (ossia adatto a diverse applicazioni), fisso o mobile per uso in applicazioni di automazione industriale.
Personalmente preferisco utilizzare il termine più corretto di "automa", vale a dire che il robot è un automa "predisposto" a sostituire l'uomo in alcune lavorazioni di manipolazione con utensili, di montaggio, di controllo e di ispezione, dotato di memoria per l'immagazzinamento di istruzioni, programmabile secondo cicli ripetitivi su diversi assi di movimentazione e infine flessibile (in modo da eseguire differenti operazioni).
Pertanto, le caratteristiche salienti possedute da un robot sono le seguenti: 1) un robot deve essere idoneo ad eseguire compiti diversi; 2) un robot non ha bisogno del controllo da parte dell'uomo; 3) un robot è in grado di manipolare pezzi; 4) un robot può eseguire lavori pericolosi per l'uomo.
Della robotica industriale ho parlato anche qui:
A presto 😉

P.S. Faccio presente che il termine "intelligente" applicato ai robot non ha nulla a che vedere col significato corrente, in questo contesto la terminologia corretta è "macchina adattativa" 🙂
 
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gronag

Utente Èlite
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INTRODUZIONE ALLA ROBOTICA INDUSTRIALE (parte seconda)
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Prima di dare alcune importanti definizioni relative alla struttura meccanica di un robot, vorrei puntualizzare un paio di aspetti che ritengo interessanti: in primo luogo, i robot, pur essendo macchine flessibili, sono strutturati in modo diverso, in base alle mansioni a cui sono destinati e quindi non esistono (e probabilmente non esisteranno mai) "robot universali".
Se consideriamo, però, i soli "automi industriali", le differenze strutturali sono meno spiccate poiché, essendo essi manipolatori, essenzialmente operano tutti con un "braccio" e con una "mano".
In secondo luogo, gli automi sono sistemi "a retroazione" (feedback), vale a dire che operano ad "anello chiuso" (chi non sapesse di cosa sto parlando, vada a rileggersi i miei appunti di "Cibernetica", in questa stessa sezione); il feedback necessario "all'unità di governo" per la gestione del sistema è fornito da quelle grandezze rilevate tramite opportuni sensori, a sua volta l'unità di governo impartisce gli ordini al sistema di azionamento il quale, mediante degli attuatori, è in grado di muovere la struttura (che interagisce con l'ambiente esterno).
Passiamo ora ad elencare alcune definizioni: 1) la struttura a cui viene fissato il braccio si chiama "struttura portante" (support structure); 2) il "braccio" (arm) è una catena cinematica in grado di sostenere e muovere l'attuatore finale (può essere presente un "avambraccio", in tal caso il giunto si chiama "gomito"); 3) la "mano" (hand) rappresenta l'organo di presa; 4) la parte terminale del braccio viene chiamata "end effector" (attuatore finale); 5) il meccanismo designato per eseguire movimenti sia lineari che di rivoluzione si chiama "giunto" (joint); 6) ciascuna delle direzioni verso cui un punto può muoversi si chiama "grado di libertà" (in pratica definisce la posizione del punto).
Infine possiamo definire un "orientamento" (yaw, la rotazione angolare del corpo verso destra o sinistra), "un'inclinazione" (pitch, la rotazione angolare del corpo verso l'alto o il basso) e una "rotazione" (roll, la rotazione della mano attorno all'asse del braccio).

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gronag

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TIPI DI GIUNTI
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Un corpo rigido costituente la catena cinematica di un robot è chiamato "Link"; i link sono collegati tra loro mediante giunti (joint) meccanici di diverso tipo.
I giunti possono essere rotoidali (o rotazionali) e prismatici (o traslazionali):
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Poi ci sono i giunti sferici e i giunti elicoidali:

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A presto 😉
 
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gronag

Utente Èlite
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GRADI DI LIBERTA'
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Il moto complessivo di un robot è scomponibile in una serie di moti elementari tra le coppie braccio-giunto, ciascuno dei quali implementa un "grado di libertà".
La somma dei vari gradi di libertà garantisce il raggiungimento del cosiddetto "spazio di lavoro" (o volume di lavoro) da parte del robot.
Ora, considerando una terna di riferimento xyz fissa e una terna di riferimento x'y'z' mobile, solidale con l'end-effector, in fase di lavorazione un robot deve innanzitutto "posizionare" l'utensile in un dato punto nello spazio e poi "orientare" l'utensile in modo arbitrario nello spazio.
Pertanto, i gradi di libertà necessari ad un robot per poter raggiungere un punto dello spazio di lavoro sono sei (non sono tutti necessari, dipende dal tipo di lavorazione, solitamente si cerca di limitarli allo stretto necessario per motivi di precisione) e precisamente: 1) tre gradi di libertà per il posizionamento dell'end-effector rispetto alla terna fissa xyz; 2) tre gradi di libertà per l'orientazione dell'end-effector rispetto alla terna mobile x'y'z' (attorno alla terna fissa).
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A presto 😉

P.S. Riguardo all'aspetto cinematico, si possono avere due tipi di configurazione: 1) robot a cinematica seriale, in cui i link sono connessi in serie a giunti che ne collegano al massimo due, in modo da formare una catena cinematica aperta; 2) robot a cinematica parallela, in cui all'interno della catena cinematica si configura un percorso chiuso.
Un robot a cinematica parallela è stato presentato qui da Fea: https://forum.tomshw.it/threads/hexapod-matematica.643744/ 😉
 

gronag

Utente Èlite
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GEOMETRIE DI UN ROBOT
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Generalmente un robot è dotato di tre assi "principali" nel braccio e da uno a tre assi "addizionali" nel polso.
La classificazione più nota dei robot viene stilata in base al tipo di coordinate che individuano la posizione dell'end-effector per effetto dell'azionamento dei tre assi principali (è chiamata anche classificazione "cinematica").
Un robot si definisce "cartesiano" quando i suoi assi hanno un moto definibile mediante coordinate cartesiane, composte da tre segmenti perpendicolari che si intersecano nell'origine.
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La struttura a giunti prismatici gli consente di ottenere una buona precisione.
Il robot "cilindrico" è dotato di un braccio orizzontale, che scorre su un asse verticale, montato su una struttura rotante.
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Si tratta di una catena cinematica formata da due giunti prismatici (per le due traslazioni) e da uno rotante (per la rotazione).
Ciascun punto dello spazio di lavoro (formato da cilindri concentrici) è individuato da una coordinata angolare, una radiale e una verticale (rispetto al piano di riferimento).
Il robot "polare" (il robot Unimate era di questo tipo) è simile a quello cilindrico, con la differenza che allo spostamento verticale si sostituisce l'inclinazione del braccio.
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La struttura meccanica è composta da due coppie rotoidali e da una coppia prismatica; essa può essere descritta secondo un sistema di coordinate polari. Lo spazio di lavoro è rappresentato da porzioni di sfera.
Infine i robot "articolati" (spesso definiti "antropomorfi" per la somiglianza con il braccio umano) sono dotati di giunti solo di tipo rotante.
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Il braccio viene montato su una struttura rotante ed è formato da due giunti rotanti: la "spalla" e il "gomito".
Questo tipo di struttura, per così dire, "antropomorfa" consente un'ampia flessibilità e molteplici impieghi, per contro la sua programmazione risulta più complessa per cui è richiesto un sistema di governo più evoluto.
Tra i robot articolati ci sono anche quelli di tipo SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm), concettualmente di costruzione piuttosto semplice, che possiamo considerare come una combinazione tra un robot articolato e uno cilindrico.
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Ha una configurazione orizzontale, con due o tre giunti ("spalla", "gomito" e "polso") e un asse verticale, generalmente il suo spazio di lavoro è limitato per cui è adatto particolarmente per piccoli montaggi.
A presto 😊
 

gronag

Utente Èlite
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COS'E' UNA TRASFORMAZIONE GEOMETRICA
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Una trasformazione geometrica è una corrispondenza biunivoca che consente di associare a ciascun punto di un piano un altro punto del piano stesso. Si dice che una trasformazione geometrica è una funzione biiettiva del piano in sé.
Le proprietà di figure geometriche che in una trasformazione non cambiano si definiscono "invarianti" per quella trasformazione.
Ad esempio, in un omeomorfismo (dal greco "forma simile"), una particolare trasformazione "topologica", l'invariante è la "continuità" della figura (se su un palloncino si disegna una figura e poi lo si gonfia, la figura si deforma).
In una trasformazione "proiettiva", in cui i segmenti si trasformano in segmenti e le rette in rette, l'invariante che si conserva è la "convessità" della figura (si pensi all'ombra di un libro generata da una lampada).
In una trasformazione "affine" si conserva anche il parallelismo tra rette.
Le isometrie (la rotazione, la traslazione, la simmetria centrale e la simmetria assiale) descrivono i movimenti rigidi, ossia quei movimenti in cui le misure degli oggetti rimangono inalterate (in pratica la distanza tra i punti è l'invariante).
In natura esistono numerosi esempi di trasformazioni in formazioni che presentano simmetrie regolari (si pensi ai fiocchi di neve e alle felci). E' possibile, attraverso la rappresentazione "frattale", la "modellazione" di queste figure così ricorrenti.
In questo trattato considererò le "affinità", trasformazioni in cui non si hanno deformazioni (è sufficiente l'identificazione di alcuni vertici della figura).

TRASLAZIONE
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Traslare un punto di coordinate P0(x0,y0) significa muoverlo lungo gli assi cartesiani xy di Dx e Dy unità, operazione che equivale ad una traslazione del riferimento cartesiano. Le coordinate del nuovo punto P1 sono x1=x0+Dx e y1=y0+Dy.
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Adottando la notazione matriciale, più compatta, avremo che un punto è rappresentato da un vettore delle sue coordinate mentre il vettore degli spiazzamenti Dx e Dy costituisce la matrice di traslazione T.

Evidentemente avremo: P1=P0+T.


ROTAZIONE
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Ruotare un punto P0(x0,y0) significa spostarlo di un certo angolo alpha, mantenendo inalterata la distanza rispetto all'origine.
Le coordinate del nuovo punto P1 rispetto al riferimento xy sono x1=x0*cos(alpha)-y0*sin(alpha) e y1=x0*sin(alpha)+y0*cos(alpha).
Con la rappresentazione matriciale avremo: P1=R*P0, in cui R è la matrice di rotazione.


ROTO-TRASLAZIONE
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Avvalendoci delle matrici di traslazione e rotazione è possibile comporre i movimenti elementari traslatori e rotatori, concatenando le trasformazioni di base e coinvolgendo soltanto prodotti tra matrici (per motivi di semplicità matematica).
Si faccia attenzione al fatto che la composizione delle trasformazioni non è "commutativa", pertanto una traslazione seguita da una rotazione è diversa da una rotazione seguita da una traslazione: occorre necessariamente seguire l'ordine effettivo con cui avvengono le trasformazioni.
Premesso ciò, adopereremo le coordinate "omogenee", vale a dire che prenderemo in considerazione, sia per la rotazione che per la traslazione, matrici di dimensione 3x3, moltiplicabili tra loro.
Avremo le seguenti matrici R (la matrice di rotazione) e T (la matrice di traslazione) nella notazione in coordinate omogenee:

Come si nota dall'immagine in basso, dal punto di vista del risultato non cambia nulla, ponendo una terza riga di valore 1 nel vettore delle coordinate del punto.

A presto 😉
 

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