La richiesta pressante di attrezzature automatiche ha un impatto crescente in svariati processi produttivi. Tra i compiti delle attrezzature automatiche sono da citare le varie operazioni di manipolazione degli oggetti, attualmente affidate a soluzioni sempre più complesse e specializzate.
Applicazioni usuali dei manipolatori riguardano il “material handling”, ovvero l’automatizzazione di processi di raccolta e posizionamento di oggetti, e trova impiego nei più svariati ambiti: biomedicale, industriale e produttivo, militare, tra cui robot per la bonifica di siti o ambienti colpiti da contaminazione nucleare. Questi manipolatori forniscono non solo l’opportunità di ripetere movimenti ciclici e ripetitivi nel tempo, monotoni e psicologicamente provanti per l’essere umano, ma assicurano accurata precisione, entro determinate tolleranze, in applicazioni anche molto precise, quali il serraggio di collegamenti meccanici come collegamenti forzati, filettati, saldati.
Struttura e controllo dei manipolatori per la movimentazione
Una classica applicazione di manipolatori di movimentazione è rappresentata dal “pick and place”. Questa funzione, generalmente complessa, richiede anzitutto di poter effettuare cinematicamente, cioè in funzione di vincoli spaziali e geometrici, l’operazione richiesta. Si procede all’analisi dinamica dei componenti da adottare, sono molto importanti le masse e i momenti di inerzia dei vari organi impiegati, per il raggiungimento delle prestazioni richieste. Anche la disposizione degli attuatori gioca un ruolo importante sotto questo punto di vista. Ad esempio nell’immagine di copertina di questo articolo si vede una disposizione tipica di un manipolatore cartesiano della ditta Omas di Alpignano (TO). In questo manipolatore, il corpo degli attuatori è in grado di espletare la funzione di struttura del manipolatore stesso.
Problemi tipici per la manipolazione degli oggetti riguardano i gradi di libertà, spesso i progettisti si rifanno all’arto umano e alla mano, in particolare. Un dispositivo in grado di imitare la mano umana deve possedere analoghe caratteristiche, indipendentemente dal tipo di controllo e dall’architettura di quest’ultimo. In questo modo sono possibili diverse configurazioni di carico.
Da quanto detto è evidente che un problema fondamentale dei manipolatori è la realizzazione, tramite una serie di componenti rigidi comandati da opportuni azionamenti, del movimento voluto. La scelta del controllo adatto a portare a termine l’azione richiesta completa il sistema e lo rende adatto alle prestazioni richieste. Come spesso accade in robotica, è fondamentale costruire i diagrammi cinematici di velocità ed accelerazione di velocità del manipolatore per una attuazione possibile. Questo è particolarmente vero in casi in cui le accelerazioni siano elevate come nel caso del “pick and place”. Conseguentemente le caratteristiche inerziali come masse e momenti di inerzia assumono importanza fondamentale nel-la progettazione.
Nella strategia di controllo, schematicamente rappresentata in Figura 2 nelle due versioni ad anello aperto (a) e chiuso (b), si deve tenere conto della geometria delle traiettorie richieste con attenzione particolare a posizione iniziale, finale alla velocità e alla accelerazione dell’end effector rappresentato da mani di presa, pinze, ventose nel caso della manipolazione. Inoltre, si deve tenere conto dei vari ritardi e tempi di risposta legati alla tecnologia utilizzata.
Così, l’azione di controllo dovrà essere progettata considerando lo scarto temporale dal momento in cui viene avviata l’azione di controllo a quando essa viene espletata: per esempio, ci si riferisce al ritardo tra l’apertura di una valvola e l’instaurarsi della pressione minima necessaria all’azionamento, all’interno dell’attuatore. Oggigiorno, l’azione di controllo è quasi sempre affidata a controllori digitali, programmabili. Questo approccio implica che l’azione di controllo possa essere progettata e gestita solo ed esclusivamente da personale altamente specializzato, in possesso della conoscenza approfondita dell’architettura hardware e del codice delle varie schede elettroniche disponibili, atte all’azionamento degli attuatori ad aria compressa. Infatti, ciò si ripercuote in maggiore attenzione durante la fase di realizzazione e di prova, durante la quale comportamenti indesiderati possono portare al danneggiamento della parte fluidica o strutturale del robot. Tale pericolo è ovviamente presente anche in casi di controllori più elementari, che si avvalgano di logica cablata. La ricerca nell’ambito degli algoritmi di presa rappresenta un tema molto importante nel panorama attuale.
Da quanto detto, tempi di azionamento e costanti di tempo sono valori fondamentali, che devono essere presi in considerazione per garantire la precisione dell’attuatore nei diversi movimenti. Di conseguenza, la caratteristica di un attuatore pneumatico deve essere esaustivamente analizzata e definita da una curva funzione di portata o pressione che, in virtù dei restanti parametri costruttivi, restituisce la forza di presa. Dalle tolleranze di costruzione e di funzionamento dipende, poi, il grado di precisione e ripetibilità del manipolatore risultante. Tutte queste caratteristiche devono essere attentamente tenute in considerazione sin dalla fase di progetto.
Come sempre, nel progetto dei manipolatori grande cura deve essere posta nella scelta dei materiali ma anche nel disegno dei componenti. L’isolamento elettrico potrebbe essere tra le specifiche di processo, non va infatti dimenticato che, in genere, l’attuatore effettua applicazioni in combinata con oggetti elettrici. Bisogna poi porre, come sempre, attenzione alle eventuali deformazioni termiche, all’attrito nei giunti, alla temperatura del fluido evolvente. Gli ingombri e gli spazi di manovra rappresentano un aspetto importante nella scelta dell’opportuno manipolatore, mentre l’apertura massima degli organi è un altro indice importante da valutare. I materiali costruttivi vanno dalla leghe leggere alla fibra di carbo-nio, mentre sono stati studiati materiali plastici che, deformandosi, permettono di migliorare la presa.
La scelta di una azionamento a fluido, piuttosto che elettrico, si basa sulle condizioni di esercizio: temperatura e umidità dell’ambiente di esercizio, possibilità di accedere alla rete elettrica o installazione di un generatore, costi di manutenzione dell’impianto di generazione dell’aria compressa. Si osservi che, per le mani, l’azionamento pneumatico consente un controllo intrinseco della forza di serraggio. Il consumo energetico rappresenta un fattore che potrebbe ricoprire un aspetto importante nella scelta di tali dispositivi.
