I sistemi robotici: accuratezza, ripetibilità

I sistemi robotici: accuratezza, ripetibilità

Un robot manipolatore è qualcosa di più di una serie di collegamenti e giunti meccanici. Il braccio meccanico è solo uno dei componenti di un Sistema Robotico (vedi figura) che in realtà risulta dall’insieme di braccio, alimentazione esterna, utensili montati sul braccio, sensori interni ed esterni, interfaccia verso il computer e computer di controllo.

Sistema Robotico
Fig.1 Sistema Robotico

Anche il software di controllo deve essere visto come parte integrante del sistema, giacchè il modo in cui il robot viene programmato e controllato può avere grande influenza sulle sue performance e sul suo conseguente range di aplicazioni.

Accuratezza e ripetibilità

L’accuratezza di un manipolatore è la misura di quale sia la sua precisione nel raggiungere un determinato punto all’interno del suo spazio di lavoro. La ripetibilità è la misura della sua precisione nel riposizionarsi in un punto precedentemente raggiunto.

Il metodo primario di misurare gli errori di posizione è attraverso encoder di posizione posti sui giunti, o sull’albero del motore che comanda il giunto o sul giunto stesso. Tipicamente, non vi è misura diretta della posizione e dell’orientamento dell’end-effector. Ne consegue che la posizione dell’end-effector sarà determinata da quella dei giunti, assumendo la geometria del manipolatore e la sua.

L’accuratezza sarà quindi affetta da errori computazional, dalla accuratezza meccanica nella costruzione del manipolatore, da effetti di flessibilità quali il piegamento dei giunti per effetto gravitazionale o di carico, da giochi meccanici e da un insieme di effetti statici e dinamici. Per questo motivo i robots vengono progettati con una altissima rigidità. Senza di essa, l’accuratezza può essere migliorata solo attraverso una misura diretta della posizione dell’end-effector, per esempio con la visione.

Quando un manipolatore è stato istruito a posizionarsi in un determinato punto, per esempio attraverso una pulsantiera mobile, i valori corretti dell’encoder per ritornarea al punto desiderato vengono memorizzati nel computer di controllo. Per questo, la ripetibilità è influenzata dalla risoluzione del controller. La risoluzione del controller significa la minima variazione nel moto che il controller è in grado di misurare. La risoluzione è misurata dividendo la distanza percorsa dal braccio per 2n ove n è il numero di bit di accuratezza dell’encoder.

In tale contesto, gli assi lineari, cioè i giunti prismatici, tipicamente hanno migliore risoluzione dei giunti curvi, poichè la distanza rettilinea percorsa dal braccio tra 2 punti su un asse rettilineo è minore della corrispondente lunghezza dell’arco tracciato da un braccio di un giunto rotazionale. Inoltre, gli assi rotazionali possiedono molti accoppiamenti cinematici tra i giunti risultando così più inclini ad errori e più difficili da controllare. A qyesto punto qualcuno potrebbe chiedersi quali siano i vantaggi dei giunti rotazionali: la risposta risiede nella loro maggior agilità di moto e nella dimensioni compatte.

Classificazione dei Robot
Fig.2 Confronto tra giunti lineari e rotazionali

Come si vede nella figura, i manipolatori basati su giunti rotazionali occupano uns spazio di lavoro minore. Questo favorisce la loro integrazione in un ambiente ove siano presenti altri robots, macchine o umani. Inoltre i manipolatori con giunti rotazionali hanno più facilità a manovrare tra gli ostacoli ed un maggior campo di applicazioni.

Wrist (polso) e End-Effectors (mani)

I giunti presenti nella catena cinematica tra braccio e end-effector vengono detti Wrist, ed essi sono quasi sempre rotazionali. Recentemente si è affermata la tendenza progettuale di avere wrist sferici, ovvero tali che i loro 3 assi si intersechino in un punto comune.

Struttura di un wrist sferico
Fig.3 Struttura di un wrist sferico

Il polso sferico semplifica molto l’analisi cinematica, permettendo di disaccoppiare posizione e orientamento dell’end effector (mano). Tipicamente quindi, il manipolatore avrà 3 gradi di libertà per la posizione, garantiti da 3 o più giunti nel braccio. Il numero di gradi di libertà per l’orientamento dipende invece dai gradi di libertà del polso. Comunemente si incontrano polsi che hanno 1,2 o 3 gradi di libertà a seconda dell’applicazione. Ad esempio, il robot SCARA (Selective Compliant Articulated Robot for Assembly) di figura 4 ha 4 gradi di libertà: 3 per il braccio ed uno per il polso che può solo ruotare sull’asse z.

I sistemi robotici: accuratezza, ripetibilità
Fig.4 Il robot SCARA LS6 della Epson

Come spesso si dice, la bontà di un robot sta tutta sul suo end effector. Infatti, braccio e polso di un robot hanno la loro primaria ragion d’essere nel posizionare l’end effector e gli utensili che verranno montati su di esso. Sono questi ultimi che eseguiranno effettivamente il lavoro. La tipologia più semplice di end effector è il gripper (pinza) che solitamente compie solo 2 azioni: apertura e chiusura. Il gripper quindi è perfettamente adeguato per spostare del materiale o afferrare degli utensili ma non lo è per altri lavori quali la macinatura, l’assemblaggio, la saldatura ecc. Per questo, è molto attiva la ricerca epr arrivare a progettare end effector dedicati a particolari applicazioni e utensili che possano essere cambiati quando il lavoro lo richiede.

Una parte importante la svolge anche la ricerca sullo sviluppo di mani antropomorfiche. Queste mani sono state sviluppate sia per essere utilizzate come protesi sia per scopi di produzione industriale. Per chi è interessato a un esempio di tali ricerche, si possono consultare i seguenti paper: “Underactuated anthropomorphic hands: Actuation strategies for a better functionality” e “Mechanical design and performance specifications of anthropomorphic prosthetic hands: A review”.