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ROBOTICA INDUSTRIALE:
Introduzione:
Il termine robotica industriale viene spesso usato per indicare macchine in
grado di eseguire un compito in modo automatico. A prima vista può sembrare
allora che tutte le macchine in grado di eseguire un singolo compito
diverse volte possano essere considerati dei robot; la differenza rispetto
ad un dispositivo automatico risiede nel fatto che un robot, in particolare
quello destinato ad applicazioni industriali, può essere modificato in base
ai compiti da svolgere e ai cambiamenti dell'ambiente, cambiando un
software o alcune schede elettroniche e non l'intera macchina. Ne
scaturisce che una caratteristica comune dei robot industriali è la
versatilità e la possibilità di impiego in diverse situazioni.
Il robot più tipicamente usato nella robotica industriale è il manipolatore
che permette di eseguire dai semplici compiti di saldatura a compiti più
complessi come la verniciatura in cui è necessario seguire i contorni di un
oggetto. L'ISO, cioè l'organizzazione per gli standard internazionali, ha
dato una definizione ben precisa di cosa si intende per manipolatore
industriale; questo è una macchina multifunzionale, controllata
automaticamente, riprogrammabile, composta da una serie di segmenti uniti
da giunti con diversi gradi di libertà, adatta a prendere e/o muovere
oggetti e consiste in una catena cinematica aperta che collega la base con
la mano, atta ad afferrare gli oggetti o a contenere dispositivi come un
saldatore o un cacciavite.
Gli aspetti teorici dei robot industriali sono
stati studiati da Denavit ed Hartenberg, che nel 1955 hanno definito un
modello cinematico comune a tutti i manipolatori mediante opportuni
parametri, quali lunghezze dei link e angoli dei giunti, mediante i quali
era possibile costruire matrici per il calcolo dei movimenti di bracci
meccanici. Questo avrebbe aperto la strada a metodi di calcolo della
traiettoria facilmente implementabili su calcolatori.
L'uso dei
manipolatori industriali è cambiato con il passare del tempo e con
l'evoluzione dell'automazione. I primi esempi applicativi risalgono agli
anni 60 grazie alla Unimation, un'azienda che progettò il primo robot
manipolatore adatto per la saldatura a punti. Fino agli anni 70 però, la
scarsa realizzazione di questi robot era dovuta anche al fatto che erano
idraulici e difettavano in accuratezza. Un passo in avanti fu la
progettazione dei robot Stanford Arm da parte dell'università di Stanford e
PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) da parte della
Unimation, che costruirono robot completamente elettrici più evoluti dei
modelli precedenti.
In questi anni si comincia a pensare al robot
industriale come ad un possibile sostituto dell'operaio nello svolgimento
di compiti ripetitivi e relativamente semplici. Nel 1976 infatti, il costo
orario di un addetto diviene superiore a quello di un robot adibito allo
stesso compito. Gli anni 80 hanno visto un rapido sviluppo della robotica
industriale grazie anche a nuovi modelli di manipolatori come SCARA
(Selective Compliance Assembly Robot Arm), un robot di brevetto giapponese
creato per l'assemblaggio industriale ed estremamente rapido nei compiti di
pick and place (dove per pickand place si intende il movimento standard di presa
di un oggetto da una posizione A, spostamento in una posizione B e
viceversa con A e B distanti 12 pollici).
In questi anni si comincia a
capire che il robot come sostituto all'uomo in certe applicazioni diventa
vantaggioso per tutti dato che può essere impiegato nei compiti molto
ripetitivi, pesanti e pericolosi in cui l'addetto può comandare il robot a
distanza (ambienti inaccessibili, manipolazione di sostanze tossiche,
ambienti a rischio...).
Negli anni 90, con la progettazione di sensori di
forza, di visione e tattili, il robot industriale viene visto come uno
strumento ormai insostituibile per il controllo di qualità totale (cioè su
tutti i pezzi e non più a campione), per la manipolazione di oggetti
delicati (come gli oggetti in vetro) e per lavori di precisione come la
rifinitura dei pezzi, cioè per compiti impossibili o difficili da eseguire
in tempi brevi da un essere umano.
Parametri di bontà dei robot industriali:
Tutti i robot industriali, manipolatori e non, hanno alcune caratteristiche
che permettono di confrontarli con altri simili per poter scegliere quello
che più si adatta all'esecuzione di particolari task. Il primo parametro
che si prende in esame è la accuratezza, che viene definita come la
differenza tra la posizione comandata e quella effettivamente raggiunta a
fine movimento.
E' tanto più importante quanto sono più piccole le
tolleranze e deve essere valutata attentamente nella fase di studio di
fattibilità. Un parametro collegato a questo è la ripetibilità, che indica
la variazione tra le posizioni raggiunte mandando, ciclo dopo ciclo, lo
stesso comando al controllore. Un altro parametro rilevante è la
risoluzione spaziale, cioè la distanza minima che può essere comandata o
rilevata.
Se il robot deve poter trasportare oggetti di un certo peso è
molto importante definire il massimo peso che può essere trasportato a
velocità ridotta, mantenendo la accuratezza. Può anche essere rilevante
sapere la massima velocità con cui un robot può muovere le ruote (nel caso
di robot mobili) o il braccio (nel caso di manipolatori). In quest'ultimo
caso è interessante calcolare il tempo di ciclo, cioè il tempo necessario
al manipolatore per eseguire un ciclo pick and place standard o un altro task
periodico.
Traiettorie e applicazioni:
I parametri appena descritti possono avere buoni valori anche se il robot
in esame non ha un elevato grado di complessità. Quest'ultimo può essere un
buon parametro per determinare qual è il manipolatore più adatto ad una
certa applicazione. La complessità di un robot è spesso legata al tipo di
traiettoria che questo deve inseguire. Se devono essere eseguiti solo dei
comandi di tipo ON/OFF si è nel caso di una traiettoria STOP-TO-STOP: se si
comanda ON il manipolatore compie l'intera corsa fino al punto di
bloccaggio e si ferma; con OFF la traiettoria viene eseguita a ritroso fino
al punto di partenza. Questo tipo di robot ha solo un controllo in anello
aperto dato che non ha alcun feedback dall'ambiente, né sensori in grado di
rilevare informazioni dall'esterno.
Tale robot anche se assai semplice è
molto usato per compiti di pick and place dato che non richiede particolari
conoscenze informatiche da parte del personale addetto, né complesse unità
di elaborazione. Un'altra traiettoria possibile è quella di tipo POINT-TO-
POINT, che permette di memorizzare le posizioni iniziale e finale di corsa,
oltre ad una serie di posizioni di passaggio intermedie. Il controllore
provvede a raggiungere i diversi punti in sequenza portando le variabili di
giunto ai valori desiderati. Questo tipo di traiettoria è quella che
solitamente viene usata per il pick and place in cui è necessario forzare il
passaggio per alcuni punti intermedi, al fine, ad esempio, di evitare
ostacoli (carico/scarico di mezzi di trasporto, avvitamento, cablaggio). In
questo caso il sistema di controllo della traiettoria è ancora molto
semplice e non permette di scegliere il cammino tra un punto ed il
successivo, che solitamente è una linea retta.
Per questo motivo una
traiettoria controllata è quella che si vorrebbe avere per compiti in cui è
importante avere le configurazioni dei giunti in ogni punto: questo
richiede il calcolo della traiettoria in tempo reale ma ha bisogno di
notevole potenza di elaborazione; si può pensare ad una generazione off-
line della traiettoria ma questo non permette la gestione di ostacoli ed
imprevisti, che sarebbe invece possibile con un calcolo a real time.
Alcune versioni della traiettoria controllata sono disponibili su robot per
operazioni di assemblaggio e saldatura ad arco ma la generazione on-line di
queste traiettorie è ancora ambito di ricerca. Un modo semplice per far
compiere al robot traiettorie complesse e continue senza un controllore
altrettanto sofisticato è il seguente: si fa compiere al robot il movimento
voluto, o manualmente, o con un teach box e si memorizzano le posizioni con
un campionamento sufficientemente fitto.
A questo punto il robot non fa
altro che ripetere le posizioni memorizzate, ottenendo una traiettoria
fluida e senza interruzioni come nel caso di una generazione point-to-
point. Questo tipo di traiettoria è ancora insostituibile nei compiti in
cui si deve inseguire il contorno, come nel caso di verniciatura o pulitura
di un oggetto.
Esecuzione di compiti in sequenza: programmazione del robot
Quando è necessario far eseguire al manipolatore diversi compiti da
eseguire in sequenza, non si vogliono definire le nuove posizioni per ogni
singolo task; è necessario allora disporre di un linguaggio di
programmazione con cui istruire il robot per tutti i compiti successivi da
eseguire; esistono diversi livelli di interazione con il robot a seconda
del tipo di linguaggio considerato; al livello task si definisce il compito
tramite linguaggio naturale (muovi A su B); questo presuppone la presenza
di un interprete molto potente (un unità di elaborazione tra l'addetto e il
robot) in grado di tradurre il linguaggio ad alto livello con istruzioni
comprensibili dal manipolatore (livello dei giunti); se è necessario avere
un modello degli oggetti e dell'ambiente in cui si sta operando è possibile
impartire comandi a livello oggetto (metti il cubo A sopra il ripiano B).
Questo può essere comodo se si hanno diversi oggetti da manipolare e ogni
oggetto possiede caratteristiche diverse. Ad un grado di interazione ancora
più basso c'è il livello manipolatore: è necessario usarlo quando si devono
definire i task in modo preciso (apri le dita di 3 cm); il controllo più
fine lo si ha con il livello giunti (sposta il giunto 1 di 45 gradi) ed è
quello che garantisce maggior controllo sull'esecuzione del task. È
preferibile un livello ad un altro a seconda del grado di dettaglio con cui
si vogliono impartire comandi al manipolatore.
Nei compiti di semplice
spostamento di oggetti, è più comodo usare il livello task o oggetto, se
invece si devono compiere movimenti molto precisi, in cui tutte le
operazioni devono essere molto dettagliate, è conveniente usare il livello
giunti o il livello manipolatore. Spesso è necessario disporre di un
linguaggio di programmazione in cui sia disponibile più di un livello. Se
si pensa ad un robot a ruote in grado di pulire un ambiente, ci si rende
subito conto che questo deve essere sia comandato a livello giunti per
definire, ad esempio, la velocità o l'angolazione delle ruote in
determinate situazioni, che a livello task o oggetto in cui si specificano
gli oggetti presenti nell'ambiente.
Applicazioni industriali di interesse:
Già quando si è parlato delle traiettorie abbiamo visto alcuni esempi di
applicazioni possibili per i robot industriali, a partire dalla complessità
della traiettoria considerata. Le case produttrici di robot progettano
modelli adatti a diversi scopi; vista la massiccia produzione di hardware
per computer, un'applicazione di importanza fondamentale è l'assemblaggio
di componenti per elaboratori: assemblaggio di circuiti di memoria, di
schede madri, di chip e delle diverse parti per ottenere il prodotto
finito.
L'uso di robot per assemblare questi oggetti è diventato ormai
insostituibile data l'alta precisione richiesta e la velocità per garantire
elevata produzione. Nel settore automobilistico altrettanto importante è
l'assemblaggio di motori o delle parti componenti un'automobile, in cui
avere robot in grado di operare in parallelo sugli stessi oggetti significa
velocizzare il processo produttivo con minime probabilità di errore.
Altrettanto importanti in ambito industriale sono i robot adibiti alla
pulizia di oggetti, che possono trovarsi in ambienti pericolosi per l'uomo,
oppure essere particolarmente delicati e quindi solo l'impiego un robot può
evitare il contatto tra componenti elettriche e materiali detergenti in
modo sistematico. Un'altra applicazione critica in industria è lo
spostamento di oggetti; non sempre infatti questo può essere fatto
agilmente da essere umani, dato che può trattarsi di materiale
particolarmente pesante o tossico (grosse casse, acidi, esplosivi...).
Associando robot di questo tipo a sistemi di imballaggio automatico e
nastri trasportatori adatti, si possono eseguire le operazioni di
spostamento in modo sicuro sia per le persone addette, che per gli oggetti
manipolati.
Necessità dell'impiego dei robot:
La robotica industriale è cambiata nel corso degli anni: dopo essere stato
pensato come rivale dell'uomo, il robot è arrivato ad essere insostituibile
nei compiti giudicati troppo rischiosi per l'operaio o per cui la
accuratezza richiesta era troppo elevata; inoltre un'elevata produttività
significa avere ritmi di produzione che, senza l'ausilio di robot,
sarebbero impensabili.
L'introduzione di questi ultimi ha rivoluzionato la
produzione modificando anche il ruolo degli operatori umani, che hanno così
evitato di essere impiegati in compiti pericolosi e ripetitivi, elevando il
loro compito di semplici esecutori, a supervisori e decisori delle
operazioni effettuabili in modo automatico.
IL GIAPPONE E LA ROBOTICA INDUSTRIALE:
Il Giappone ha saputo impiegare i robot all'interno della produzione
industriale fin dai primi sviluppi della robotica, non solo in modo
passivo, cioè comprando robot da aziende occidentali e impiegandoli nei
processi produttivi, ma progettandoli a sua volta. L'esempio più
importante, che ha rivoluzionato i metodi di assemblaggio industriale è
stato il robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm), ideato e
brevettato dai giapponesi nel 1981.
Questo tipo di manipolatore ha 4 gradi
di libertà e si muove su un piano XY per raggiungere la posizione
desiderata. Un movimento rotatorio della mano e una traslazione lungo Z
completano le possibilità di movimento del robot, pensato per eseguire
compiti di pick and place in modo particolarmente rapido e largamente usato in
ambito industriale, non solo giapponese. Il Giappone ha inserito corsi
universitari di robotica industriale nelle proprie università ancora prima
degli Stati Uniti, ed è tutt'oggi il paese che impiega maggiormente i robot
industriali nella propria produzione: basta pensare al numero di robot
industriali impiegati in Giappone nel 1986 (116000), contro quelli
impiegati nello stesso anno negli USA (25000).
Il Giappone ha anche saputo
conciliare il massiccio uso di robot industriali con il mutamento dei
compiti lavorativi degli operai addetti. Un esempio di questo è stata la
Nissan, azienda automobilistica che tra le prime ha utilizzato i robot
nella produzione. Questa ha creato la Nissan Motor Workers Union, cioè un
organo in grado di instaurare un dialogo tra la dirigenza aziendale e gli
operai per definire le modifiche dei compiti dei lavoratori con l'avvento
dei robot, curando anche gli aspetti della formazione. Matsushita Electric
Industry, Fuji Machine Manufacturing, Fanuc, Yasakawa Electric
Manufacturing e Kawasaki Heavy Industries sono tra le maggiori industrie
giapponesi produttrici di robot industriali e riforniscono di strumenti di
automazione sia industrie giapponesi che estere. Altrettanti centri di
ricerca supportano queste aziende, al fine di creare supporti sempre nuovi
ad un sistema produttivo in continua evoluzione.