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L’EVOLUZIONE DEI SISTEMI PRODUTTIVI NEL SETTORE MECCANICO DEL NOVECENTO.
DEFINIZIONE DEL ROBOT INDUSTRIALE
MORFOLOGIA DEL ROBOT INDUSTRIALE
Confronto tra giunti
GRADI DI LIBERTA’ DEL ROBOT
Si definiscono Gradi di libertà della struttura i gradi di mobilità che questa possiede,
corrispondente al numero di giunti, e quindi di attuatori, corrispondenti alle movimentazioni.
LE STRUTTURE CINEMATICHE FONDAMENTALI
Volume di lavoro (vista laterale).
PRESTAZIONI DELLE STRUTTURE CINEMATICHE FONDAMENTALI
Struttura TTT: i robot cartesiani si costruiscono nei tipi a montante (orizzontale e verticale) ed a
portale. Nella figura sottostante sono riportati degli esempi di robot cartesiani:
a) a montante orizzontale;
b) a montante verticale;
c) a portale.
Esempio di dimensioni del campo operativo di un robot cartesiano
Struttura TRT:
Struttura RRR: molto diffusi, i robot con questa struttura sono detti anche antropomorfi perché
riproducono abbastanza fedelmente le possibilità di movimento del braccio umano. I suoi
segmenti e articolazioni sono identificati opportunamente come riportato nella figura 1. In
pratica, tale nomenclatura viene spesso estesa anche ad altri tipi. il volume di lavoro può essere
considerato. in prima approssimazione, come una porzione di sfera.
La sua conformazione reale è in realtà più complessa, essendo influenzata dalle effettive
possibilità di movimento dei giunti.
A parità di ingombro in pianta, i robot antropomorfi consentono un maggior volume di lavoro
rispetto alle altre strutture, ciò che li rende ideali per applicazioni quali la verniciatura a spruzzo e
la saldatura ad arco.
Nelle applicazioni di montaggio il loro posto preminente viene sempre più minacciato dai robot
SCARA. Inoltre, uno stesso punto del campo operativo può essere raggiunto con diverse
configurazioni della struttura, come si vede nella figura 2.
L’aumento delle possibilità operative è anche dovuto al fatto che è possibile raggiungere pezzi
posti al di sotto del basamento. La possibilità di fissaggio a soffitto permette di annullare il già
ridotto ingombro in pianta. Il punto debole è costituito dal costo elevato, superiore anche a quello
della struttura cartesiana. La struttura è infatti completamente a sbalzo e deve essere
accuratamente progettata. Una soluzione generalmente adottata è quella di confinare i motori
dei vari giunti sulla base, ciò che richiede opportune trasmissioni meccaniche le quali,
implicando giochi e vibrazioni, fanno cadere le prestazioni dinamiche.
figura 1
figura 2
a) vista dall’alto
b) vista laterale
Esempio di robot articolato antropomorfo
Struttura RRT: il volume di lavoro è un settore di sfera. Come il robot cilindrico, è facilmente
adattabile all’ambiente di lavoro perché la zona operativa viene raggiunta con lo sfilo (asse T),
mentre il grosso della struttura può essere lontano.
Attualmente questa struttura (la prima sul mercato, prodotta dalla statunitense Unimation, nel
1960) è limitata ad applicazioni gravose, come la saldatura a punti o la manipolazione pesante,
nelle quali non è richiesta grande precisione di posizionamento o elevata ripetibilità.
Struttura SCARA: il volume di lavoro può essere considerato in prima approssimazione come
una porzione di cilindro. La compattezza è ottimale, in rapporto al volume di lavoro ricoperto.
Questo robot presenta ottime prestazioni statiche (precisione e ripetibilità) e dinamiche, per cui
le applicazioni tipiche sono quelle del montaggio. la maggioranza degli SCARA sono semplici ed
economici, in quanto realizzati prevalentemente con 4 gradi di libertà, configurazione con la
quale si possono coprire l’80% delle operazioni di montaggio. Il limite maggiore è la difficoltà ad
operare in spazi angusti, ciò che rende problematico ad esempio l’asservimento di macchine
utensili.
IL CONTROLLORE ROBOTICO
NORMATIVA RELATIVA AI ROBOT ONDUSTRIALI
Definizione di robot industriale (UNI 9919): si definisce robot industriale una macchina che
può essere programmata per svolgere compiti che comportano azioni di manipolazione e/o di
locomozione sotto comando automatico.
Definizione dei robot industriali (JIRA): la classificazione è impostata su cinque livelli che
seguono un ordine verso sempre maggiore complessità e potenzialità. L’ordine è pertanto
cronologico, nel senso che i livelli più bassi sono stati i primi ad essere introdotti nel mondo
industriale; inoltre viene evidenziato il ruolo dei sensori così come è stato descritto nel paragrafo
relativo. Per tutti questi motivi la classificazione proposta pare meglio impostata di quelle basate
sul ruolo che il robot deve assumere, spesso non ben definito a causa della flessibilità di queste
macchine.
Definizione dei robot industriali (SIRI): molto frequente è la classificazione funzionale, che
assume a criterio la tipologia dei compiti svolti. In effetti, la tendenza iniziale (anni ’60) di
costruire robot universali è stata ben presto sostituita dall’adozione di robot dedicati, atti a
svolgere solo una classe ben definita di compiti.
La SIRI distingue:
1) robot per alimentazione e scarico di macchine utensili;
2) robot per saldatura a punti e robot per saldatura continua;
3) robot per verniciatura;
4) robot per montaggio e assemblaggio;
5) robot per misura automatica;
6) robot per altre applicazioni.
Citiamo altre due importanti classificazioni, utili per capire come i criteri di classificazione siano
legati agli ambiti industriali in cui sono definiti:
classificazione statunitense RIA (Robot Industries Association): un robot industriale è un
manipolatore riprogrammabile multiscopo concepito per spostare materiali., pezzi, attrezzi od
altri oggetti specifici, attraverso movimenti variamente programmabili, ed impiegato per una
quantità di compiti diversi.
La definizione americana è più restrittiva. Essa pone l’accento su due caratteristiche
fondamentali: la flessibilità e la programmabilità. Tale definizione risulta non adeguata alla realtà
in quanto non considera la possibilità di interfacciamento con l’ambiente di lavoro, alla capacità
di controllare le apparecchiature o di sincronizzarsi con esse, ed infine di mutare, adeguandoli, i
comportamenti in base ambiente esterno.
Classificazione francese AFRI (Association Francaise de Robotique Industrielle):
rispecchia quella giapponese, considerando quattro classi di appartenenza (A, B, C, D), non
considerando la classe dei robot intelligenti.
PROGRAMMAZIONE DEI ROBOT
Il robot, a differenza di qualsiasi altra macchina operatrice programmabile, può anche
apprendere il proprio compito operativo. L’istruzione diretta del robot è stato il primo metodo
sviluppato per la programmazione dei robot industriali. Con tale metodo, chiamato teaching by
showing, dopo aver preparato la stazione di lavoro ed aver selezionato il “modo apprendimento”,
l’operatore guida il braccio lungo il percorso necessario per eseguire il compito, facendogli
compiere una esecuzione campione delle diverse operazioni. Le successive posizioni del
braccio sono memorizzate, in modo che la macchina possa essere in grado di ripetere
esattamente le stesse operazioni, semplicemente passando alla modalità “automatico”.
Cambia, rispetto alla normale programmazione, il modo in cui il controllore robotico produce gli
ordini ai servoassi (tensioni elettriche): con l’auotapprendimento i segnali di comando agli
attuatori sono ottenuti direttamente, elaborando le indicazioni dei sensori di posizione situati
nelle articolazioni.
Un linguaggio di programmazione fa invece di solito riferimento alle cosiddette coordinate del
mondo di un punto di una pinza, cioè alle sue coordinate rispetto ad un sistema di riferimento
(cartesiano, cilindrico, ecc.) con origine fissa in un punto opportuno della base del robot. Si pone
perciò il problema della trasformazione dalle ccordinate-mondo alle coordinate-giunto,
specificando per ciascun giunto l’entità dello spostamento.
Programmazione in autoappredimento
La traiettoria può essere memorizzata in due modi: punto a punto e continua.
 Nell’istruzione punto a punto si aziona il braccio tramite la teach-box (scatola
d’insegnamento), che invia i comandi ai singoli assi, conducendo l’attuatore finale (endeffector) nei singoli punti di lavoro. Con la semplice pressione di un tasto vengono
memorizzate le posizioni dei singoli link, ed eventuali operazioni (chiusura-apertura pinza,
attesa, ecc.). La stessa procedura può essere effettuata con un joy-stick o cloche che
permette un risparmio del 25%, poiché l’operatore non deve preoccuparsi di quali assi
muovere per raggiungere la posizione voluta.
 Per molte applicazioni, quali ad esempio la verniciatura, la sbavatura, l’incollaggio, la
saldatura continua, ecc. è importante poter controllare con continuità la traiettoria e
l’orientamento della mano, non solo in alcuni punti. L’operatore prende “per mano” il robot e
lo guida nel movimento e nelle operazioni. Per limitare l’occupazione di memoria si utilizza il
metodo dell’interpolazione, che approssima gli spostamenti mediante segmenti ed archi di
circonferenza.
Le modalità di insegnamento sono tre:
 insegnamento diretto: il robot è guidato direttamente dall’operatore; lo sforzo esercitato è
medio leggero grazie ad un dispositivo integrato di assistenza muscolare;
 insegnamento mediante unità specifica: l’unità di insegnamento è la realizzazione in
scala, ridotta del robot: l’operatore gli insegna il lavoro, che verrà ripetuto dal robot vero e
proprio;
 insegnamento per telecomando: ora il robot è direttamente asservito all’unità di
insegnamento, e riproduce esattamente, memorizzandoli nel modo spiegato, i gesti
dell’operatore.
Programmazione con linguaggi specifici
La semplicità del metodo “teaching by showing” ne giustifica la larga diffusione in ambito
industriale. D’altra parte, è evidente che la programmazione di compiti complessi risulta difficile.
Si pensi alla programmazione delle operazioni di assemblaggio con molti pezzi o anche alla
semplice programmazione di operazioni di pellettizzazione in cui si è costretti a definire tutte le
posizioni degli oggetti.
L’adattabilità del robot è poi pressoché nulla, dato che l’esecuzione del compito consiste nella
semplice ripetizione di quanto appreso in fase di istruzione. L’impossibilità di servirsi delle
informazioni dei sensori esterni e perciò di gestire situazioni anomale o impreviste (errori di
posizionamento, caduta del pezzo dalla pinza ecc.) confina l’applicabilità di taler metodo ad
applicazioni semplici e fortemente ripetitive. Ulteriore vantaggio è costituito dal fatto che durante
le fasi di apprendimento il robot deve essere sospeso dalle attività produttive, con conseguente
notevole danno economico.
La programmazione con linguaggi evoluti specifici risolve le accennate difficoltà e favorisce
l’integrazione del robot con altri robot e macchine (FMS, ecc.). Se si aggiunge anche un
programma per la gestione delle informazioni esterne, il robot acquista una certa conoscenza
del mondo esterno, risulta così in grado di operare in tempo reale.
Nella programmazione del robot industriale sono importanti due problemi sulla cui possibilità di
soluzione conviene soffermarci:
 da una qualunque configurazione della struttura, il che significa che sono noti i parametri di
tutti i giunti di scorrimento e rotazione, risalire alla posizione dell’elemento terminale, questo
viene definito problema cinematico diretto;
 da una qualunque posizione dell’elemento terminale risalire alla configurazione della
struttura, questo viene problema cinematico inverso.
ORGANI DI PRESA
L’attutore finale, end effector o più semplicemente “mano” può essere realizzato in vari modi, per
le operazioni che deve svolgere il robot, e con varie tecnologie identificate dall’energia impiegata
per la movimentazione dell’organo finale:
 pneumatica
 idraulica
 magnetica ed elettromagnetica
 elettrica.
ATTUATORI ROBOTICI
Gli attuatori robotici sono gli stessi utilizzati nelle catene automatiche che realizzano il controllo
dei movimenti, in particolare la posizione (servoazionamenti o servomeccanismi). Le tipologie si
contraddistinguono per l’energia impiegata:
 pneumatica
 idraulica

elettrica
SENSORI
Nei robot industriali i sensori (trasduttori) possono essere suddivisi, sulla base della loro
funzione, in interni ed esterni:
 trasduttori interni: hanno lo scopo di rilevare i parametri relativi alla struttura robotica stessa
(giunti, bracci, ecc.);
 trasduttori esterni: hanno lo scopo di rilevare parametri relativi al mondo esterno utili
all’attività del robot (sistemi di visione, sensori di prossimità, ecc.).
LA SCIENZA ROBOTICA

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