Ingegneria robot

ROBOT INDUSTRIALI

…….DALLA FANTASCIENZA
Adesso per concludere il discorso sull’automazione dobbiamo dire qualcosa sui robot industriali.
Abbiamo detto che per raggiungere la flessibilità e quindi per avere una configurazione “sistema flessibile di produzione”, abbiamo bisogno di un qualcosa che ci faccia da tramite tra i macchinari, per esempio una stessa stazione: questi sono sostanzialmente i robot industriali.
Dobbiamo dire che la prima volta che si è parlato di robot, si è parlato in un libro di fantascienza degli anni ’40, un tale Asimov ha ipotizzato un automa di sembianze umane che seguiva determina regole etiche, ed era in grado di sostituire l’uomo in alcune operazioni.
Da questo testo, che seppure di fantascienza... come dire, ha posto le basi per la nascita di quella che è la scienza della tecnologia dei robot, sono nate le così dette “3 leggi della robotica”. Le leggi della robotica, che nel momento in cui erano leggi per i robot della fantascienza avevano un senso, ma poi sono state traslate in quelle che sono le regole di progettazione del robot stesso e il modo in cui i robot industriali agiscono nel processo produttivo. Per cui dalla fantascienza si è passati a quella che è la robotica che invece ha un fondamento scientifico e che lo studio di macchine per sostituire l’uomo.
LE 3 LEGGI DELLA ROBOTICA
Le 3 leggi della robotica sono essenzialmente queste, che vi ho detto non leggetele come il prodotto di fantascienza, ma adesso capiamo che sono alla base di quella che è poi la costruzione di un robot industriale….ossia:

• Un robot non può far del male a un essere umano ne consentire, restando inoperoso, che un essere umano si trovi in pericolo;
• Un robot deve obbedire agli ordini impartiti dagli essere umani, a meno che tali ordini non entrino in conflitto con la prima legge;
• Un robot deve proteggere la sua esistenza a meno che tale protezione non vada in conflitto con la prima o la seconda legge.

Quindi essenzialmente queste sono 3 leggi dei robot di Asimov, che però sono state tradotte in regole di comportamento specifiche di progettazione…. cioè il robot non deve far male a se stesso, deve proteggersi. Che significa? I robot industriali devono essere costruiti in modo tale, per esempio, se il percorso del robot deve essere da A a B e tra A e B c’è un ostacolo, il robot andando da A a B deve essere in grado di riconoscere l’ostacolo e semmai aggirarlo o organizzarsi per evitare di rompersi; oppure se esiste un qualcosa che si sta usurando nel robot il robot deve essere in grado di rendersi conto ed evitare di arrivare alla rottura, oppure non deve rimanere inoperoso. Il robot è fatto in modo tale da essere organizzato in modo da ripetere sempre la stessa operazione tutte le volte che l’uomo vuole. Quindi vi rendete conto come da essere delle leggi “etiche” sono passate a delle specifiche di progettazione.
LA ROBOTICA INDUSTIALE (non presente nelle slides)
Quindi.. queste leggi corrispondevano a regole di comportamento e oggi sono diventate specifiche di prodotto  di un qualcosa che è essenzialmente un prodotto industriale.
LA ROBOTICA INDUSTRIALE (non presente nelle slides)
Quindi la robotica industriale è la disciplina che si interessa della Progettazione, del Governo e delle Applicazioni dei robot in ambito industriale; il robot industriale è diventato essenzialmente un elemento fondamentale dell’automazione e dell’industrializzazione moderna.
IL ROBOT (robot come una macchina che, indipendentemente ……)
Il robot ha fondamentalmente la caratteristica di essere una macchina in grado di apportare modifiche nell’ambiente in cui opera, e la robotica è essenzialmente la scienza che si occupa di studiare la connessione intelligente tra percezione e azione. Proprio perché il robot è una macchina che apporta delle modifiche all’ambiente è fondamentale che il robot sia in grado di percepire l’ambiente e agirete di conseguenza. Quando dico ambiente vuol dire anche sapere dove ho messo il pezzo, sapere come prendere il pezzo, sapere che movimento fare, sapere come tradurre questi Input in Output, e quindi di modifica del pezzo che sta prendendo o lavorando.
ROBOTICA (non presente nelle slides)
Quindi  diciamo che la robotica è un mix risultante di meccanica, elettronica, informatica e automatica.
LA ROBOTICA AVANZATA (non presente nelle slides)
La robotica avanzata aggiunge a questi fattori l’intelligenza artificiale perché  si occupa  di robot che siano in grado non solo di interagire con l’ambiente, ma anche di percepire e di avere dei comportamenti simili a quelli umani, quindi di prendere decisioni anche complesse rispetto a quelli che possono essere dei programmi o delle operazioni tipiche di un robot.
Quindi spiccate caratteristiche di autonomia per risolvere problemi di…operatività in ambienti ostili o per eseguire missioni abbastanza particolari. Quindi robotica avanzata si occupa per esempio anche di studiare quei robot che devono compiere delle operazioni in condizioni ambientali estremamente pericolose ( con temperature, pressioni).      
IL ROBOT ( il robot appare come la macchina più rappresentativa dell’automazione….)
Il robot è la macchina  più rappresentativa dell’automazione in fabbrica e il robot può essere considerato una derivazione delle macchine manipolatrici e delle macchine utensili a controllo numerico. Quindi essenzialmente macchine programmabili multifunzionali.
IL ROBOT COME UN SOTTOSISTEMA INDUSTRIALE (non presente nelle slides)
Il robot essendo un sottosistema industriale è orientato alla manipolazione di pacchi o utensili, a seconda se sta manipolando i pacchi per arrivare ad assemblare qualche prodotto o utensili che poi serviranno ad una macchina operatrice.
…Dotato di una memoria sufficiente ad immagazzinare un numero significativo di istruzioni con la capacità di essere programmato e di essere multiscopo. Quindi è in grado di ricevere una serie di input (istruzioni), di immagazzinarle (di avere una memoria) che gli consente poi, a seconda di quelle che sono le cose da fare a seconda delle modifiche dell’ambiente, di agirei conseguenza.
Flessibile cioè idoneo a seguire manipolazioni di prodotti diversi raggruppati per caratteristiche similari.
I ROBOTS INDUSTRIALI ( la definizione della japan…)
Una definizione dei robot industriali….sono quei meccanismi che dispongono di funzioni di movimento versatili e flessibili simili a quelli degli arti umani e che forniscono funzioni di movimento flessibili tramite le loro capacità sensoriali e di identificazione.
In generale i robot vengono detti manipolatori. La funzione fondamentale di un robot è quella di avere una specie di mano che gli consente poi….( suggeriscono “una pinza”)…non è detto che sia una pinza.
I robot sono dotati di movimento e forniscono movimento, nel senso che loro si possono muovere e sono in grado a loro volta di muovere determinati pezzi.
IL ROBOT ( secondo la definizione data dal Robotic Institute  of America)
Secondo un’altra definizione un robot non è altro che un manipolatore riprogrammabile e versatile progettato per muovere un’ attrezzatura, dei pezzi, degli utensili o delle apparecchiature speciali, in una sequenza di movimenti variabili o programmata al fine di eseguire una serie di compiti diversi.
Quindi il determinante comune è quello di essere un manipolatore dotato di mobilità, in grado di fare più cose che può essere programmato e quindi in grado di svolgere certi movimenti secondo un programma predefinito.
ROBOT ≠ MU/CN( macchina utensile a controllo numerico) (non presente nelle slide)
La differenza tra robot e macchina utensile a controllo numerico, anche la macchina utensile a controllo numerico era in grado di fare delle operazioni e aveva un sistema programmato mediante un calcolatore, la differenza sta innanzitutto che il robot industriale ha molta più versatilità rispetto ad una macchina utensile a controllo numerico, e un’altra cosa che cambia è il volume di azione che il robot ha rispetto al volume di una MU/CN.
ROBOT = MACCHINA DI MISURA (non presente nelle slides)
Generalmente i robot hanno la funzione di manipolare, trasportare, però sono anche in grado di effettuare delle misure grazie al fatto che hanno una capacità di esplorare lo spazio tridimensionale; quindi possiamo utilizzare i robot sia come manipolatori sia per trasportare pezzi, per misurare, proprio perché i robot hanno questa capacità di captare mediante i loro sensori determinate caratteristiche, proprietà del pezzo e poi eventualmente elaborare l’informazione e agire di conseguenza. Quindi possono essere usate anche per funzioni di misura.
LA STORIA DEI ROBOT ( i primi robot commerciali furono prodotti nel 1959…)
I primi robot erano delle macchine programmabili “pick-and-place” (prendi e posiziona), quindi abbastanza semplici in grado di fare sempre la stessa cosa… per un percorso definito prendere e posizionare. Questo lo potevano fare tante volte.  Non erano in grado di  fare altro, tra l’altro non erano in grado, per esempio, di selezionare tragitti diversi.
Dopo c’è stata la possibilità di incorporare nel robot dei sistemi di auto-protezione, quindi dei sistemi di controllo in modo tale da poter agire entro certi limiti per arrivare poi ai robot nuovi che sono robot che sono controllati da computer digitali.
LE GENERAZIONI DI ROBOT
A seconda delle capacità dei robot e del modo in cui operavano, i robot vengono generalmente suddivisi in generazioni di robot. La prima generazione era generalmente per il carico scarico, secondo sequenze di operazioni preordinate; i robot di seconda generazione erano in grado di accorgersi di eventuali variazioni dell’ambiente esterno mediante dei sensori visivi tattici, in grado di fare una serie di operazioni sempre fornite da un determinato programma. I robot di ultima generazione sono in grado di prendere decisioni intelligenti, quindi se si trovano davanti a delle situazioni che loro non hanno mai affrontato sono in grado di elaborare le informazioni che vengono dall’esterno e di prendere delle decisioni tipiche di quella che può essere una mente umana.
LE PARTI DI UN ROBOT (non presente nelle slides)
Tutti i robot sono essenzialmente costituiti da due parti :

• Un manipolatore che poi è la struttura meccanica, che è costituita da Bracci, Polsi e Mani che sono le parti in movimento
• E poi da una unità di memoria, che consente di far muovere nel modo giusto il braccio, le mani e i polsi.

IL ROBOT INDUSTRIALE E’ COSTITUITO DA :
Il robot industriale è quindi costituito:

• Da una struttura meccanica che è il manipolatore, che generalmente è fatto così: esistono un in un insieme di corpi rigidi detti bracci con un insieme di giunti che servono ad unire i differenti bracci, alla fine del quale esiste un polso che poi è la parte fondamentale che conferisce tutta la possibilità del movimento dell’attrezzo finale  e quindi consente un insieme di lavorazioni che può effettuare l’uomo stesso;
• Gli attuatori che sono sistemi in grado di imprimere il movimento al robot stesso e possono essere motori elettrici, idraulici e talvolta pneumatici;
• Poi ci sono i sensori, fondamentali perché mettono in comunicazione il macchinario con l’ambiente esterno ed interno. Quindi esistono sensori propricettivi e sensori esterocettivi. Che significa? Il robot in ogni momento e in grado di sapere in che posizione è, ed è in grado di rapportarsi con l’ambiente esterno. Perché? Se io devo prendere un pezzo che sta qui, devo saper che devo andare qui, devo saper esattamente la mia mano come si deve posizionare, devo renderlo riportarlo e metterlo a posto.  Quindi devo sapere esattamente la mia posizione nello spazio e quello che è eventualmente lo spazio nei miei confronti, quindi quello che c’è fuori di me e quella che è la mia posizione;
• Una unità di governo (il calcolatore) che ovviamente deve controllare tutte le funzioni e deve essere in grado di integrare tutti questi dati che vengono dai sensori interni e dai sensori esterni.

ELEMENTI FONDAMENTALI DI UN ROBOT
Gli elementi fondamentali sono:

•  L’organo sensoriale ;
• la memoria;
• il dispositivo di raffronto che è in grado di confrontare quelli che sono i dati provenienti dagli organi sensoriali con la memoria che io ho, quindi se io so che devo andare da A a B e mi trovo nella posizione C ( perché il mio sensore mi dice che sono nella posizione C ), nella mia memoria io vado a vedere che posizione è la C rispetto al percorso che dovevo fare e di conseguenza posso agire;
•  la memoria impartisce le istruzioni necessarie;
• gli organi motori   che le eseguono.

LA STRUTTURAINTERNA DI UN ROBOT
Qui vedete come può essere una struttura interna di un robot, e quindi vedete un flusso di informazioni sempre che collegano i bracci ( la struttura meccanica ) con la memoria con quelle che sono i dati dei sensori.
ROBOT ≡ BRACCI ARTICOLATI
Quindi possiamo dire che da un punto di vista meccanico strutturale i robot non sono altro che dei bracci articolati capaci di muovere un pezzo o un utensile e di trasmettere negli stessi punti forze o torsioni. Capite bene che nel momento in cui il robot non è soltanto una macchina che si muove, ma una macchina che impartisce delle forze (per esempio delle torsioni) è fondamentale che a monte ci sia lo studio del programma che il robot deve svolgere per arrivare ad attuare quelle funzioni tipo imprimere un movimento, imprimere una forza, vuol dire cambiare quelle che sono le condizioni del robot nel momento in cui attua l’operazione stessa. Per cui se io ho programmato il sistema in modo tale che il robot sa che si trova in quella posizione e quindi collega  la memoria solo in quella posizione, nel momento in cui imprime una certa forza il collegamento con l’ambiente esterno cambia completamente, quindi a monte io devo organizzare programmare un sistema molto più complesso di quello che può essere un semplice movimento.
POLSO SFERICO (non presente nelle slides)
Un elemento fondamentale è il polso sferico che consente il disaccoppiamento tra la posizione dell’organo meccanico e la posizione dell’organo finale.
CARATTERISTICHE DI UN ROBOT

•  una mano capace di afferrare e rilasciare i pezzi
• un braccio capace di posizionare la mano nelle 3 dimensioni
• un polso per il braccio con articolazione per permettere l’orientamento della mano in              qualsiasi direzione nello spazio
• una forza muscolare sufficiente ad alzare pezzi di 225 kg.
• una ripetibilità di posizionamento di 0,3 mm
• controlli manuali per permettere ad una persona di comandare tutti i moti del braccio
•  una memoria interna per imparare le istruzioni insegnate da un operatore
•  un sistema di controllo automatico  che permetta alla memoria di eseguire operazioni  anche in assenza di un operatore
•  una velocità operativa almeno pari a quella di un operaio
• una biblioteca di programmi che possa essere selezionata a piacere in modo da permettere al robot di ripetere operazioni che gli erano state precedentemente insegnate.
• apparecchiature per sistemi di sicurezza e interbloccaggi con altre apparecchiature e impianti con i quali il robot deve lavorare.
• una interfaccia verso il computer  e un’interfaccia verso l’operatore ( perché l’operatore deve essere sempre in grado di capire lo stato del sistema e quello che sta facendo).
• un tempo medio tra i guasti di almeno 400 ore in condizioni di funzionamento industriale.
• una struttura che permetta una facile manutenzione, un rapido accesso e la sostituzione di parti in caso di guasti, sotto la guida di programmi di autodiagnostica.

I SENSORI
I sensori sono una parte fondamentale che permette di mettere in collegamento dei sistemi più avanzati…esistono dei sistemi di visione in grado di definire perfettamente l’ambiente esterno, l’oggetto e questo consente di migliorare la qualità di produzione, dei prodotti.
SISTEMA DI CONTROLLO
Insieme al sistema meccanico, il sensore, c’è ovviamente il sistema di controllo che nel caso più semplice può essere un insieme di meccanismi anche meccanici, che mi consentono per esempio di arrestare il sistema; nei casi più complessi ci sono dei computer che elaborano tutte le informazioni e impartiscono le istruzioni. Inoltre nel caso ci sia un computer.. un computer può essere collegato ad un altro computer, quindi poi possiamo avere la sincronizzazione per esempio del robot con altri sistemi della fabbrica.