La robotica è sempre più presente nei sistemi di automazione industriale perché permette di migliorare l'efficienza di molti processi produttivi e in particolare:

• migliorare la qualità (precisione, uniformità)
• velocizzare i processi di produzione/lavorazione/movimentazione
• diminuire i costi (affidabilità, produttività)
• aumentare la sicurezza (riduzione dei rischi per gli operatori nei lavori logoranti e ripetitivi)

Nei processi industriali i robot affiancano le tradizionali macchine automatiche ma a differenza di queste, che sono specializzate nello svolgere un compito semplice e sempre uguale, sono in grado di svolgere compiti diversi e molto più complessi permettendo una maggiore flessibilità di impiego.

In generale un robot è una macchina capace di compiere una serie complessa di azioni in maniera automatica. Un robot industriale è un tipo di robot usato nell'industria manifatturiera per svolgere in maniera automatica e ripetitiva compiti quali:

• trasporto e manipolazione: pallettizzazione¹⁾, carico/scarico, selezione e smistamento, pick and place e confezionamento
• assemblaggio e lavorazione: saldatura, verniciatura, trapanatura, avvitatura, incollaggio, taglio laser
• asservimento macchina
• ispezione

La robotica è una materia interdisciplinare, infatti coinvolge:

• la meccanica, la cinematica e la dinamica che descrivono i movimenti del robot
• l'elettronica e l'elettrotecnica per il pilotaggio e controllo dei motori elettrici e per l'interfacciamento con altri dispositivi
• l'informatica per il calcolo dei movimenti e la programmazione del robot

Un robot industriale è definito così: manipolatore multi-funzione, controllato automaticamente, ri-programmabile, a tre o più gradi di libertà, utilizzato per l’automazione di applicazioni industriali, dove:

• manipolatore è un meccanismo con segmenti rigidi (link) collegati con giunti (joint) attuati da motori che movimenta utensili (tool/end-effector)
• multi-funzione sottolinea la versatilità del robot, che non è destinato ad un unico impiego
• il controllo è affidato a un computer e il comportamento è dettato da un programma
• grado di libertà (DOF) è il numero di giunti del robot

Per la parte meccanica le definizioni più importanti sono:

• link (o braccio): segmenti rigidi collegati tra loro che partono dalla base (fissa) del robot e insieme formano il meccanismo
• joint (giunto): è l'articolazione che collega due link e può essere:
  • prismatico, se i link possono scorrere uno rispetto all'altro
  • rotoidale, se possono ruotare uno rispetto all'altro
• flangia: la parte terminale dell'ultimo link del robot

A seconda dell'applicazione da svolgere sulla flangia si monta un tool (utensile) adatto, ad esempio:

• una pinza meccanica (elettrica o pneumatica)
• una ventosa a depressione (pinza a vuoto o vacuum gripper)
• un saldatore
• una pistola verniciatrice

Il grado di libertà il tipo di giunti può cambiare a seconda del robot ma in generale, se si vuole poter raggiungere un punto a piacere nello spazio con un orientamento a piacere, servono sei gradi di libertà e quindi sei giunti. Nella robotica si usa il termine posa (pose in inglese) per indicare insieme la posa e l'orientamento di un oggetto nello spazio dove:

• la posizione è definita con una terna di coordinate cartesiane (x-y-z)
• l'orientamento è definito:
  • in genere con gli angoli di Eulero, cioè rotazioni attorno agli assi del sistema di riferimento originario (ZYX)
  • oppure con gli angolo RPY²⁾, cioè rotazioni successive intorno agli assi X poi Y e poi Z
  • o ancora con i quaternioni, una rappresentazione matematica (poco intuitiva) che usa quattro valori tra -1 e 1

La posizione e l'orientamento del punto di lavoro dove “agisce il tool” è chiamato TCP (tool center point) e la programmazione del robot di fatto consiste nel definire i movimenti e le azioni che deve compiere il TCP per svolgere un determinato compito.

Per quanto riguarda la parte elettrica e elettronica ogni robot è dotato di:

• sensori di posizione: generalmente dei resolver (simili agli encoder ma senza elettronica a bordo quindi più robusti)
• servomotori per il movimento dei giunti: motori con prestazioni elevate pilotati da sistemi di controllo elettronico che consentono di controllare con precisione posizione, velocità ed accelerazione
• armadio di controllo o controller: alimenta e pilota gli attuatori e contiene il sistema di controllo computerizzato a cui collegare l'unità di programmazione esterna (per la programmazione e la movimentazione) o un PC

Esistono varie tipologie di robot con caratteristiche diverse. Le principali sono:

• payload: capacità di carico o peso massimo che il robot può sopportare alla flangia
• reach (raggio d'azione): distanza massima raggiungibile dal tool
• spazio di lavoro (area raggiungibile dal tool)
• velocità
• precisione e ripetibilità
• DOF (grado di libertà) e tipologie di giunti

I robot si classificano in base al numero e alla tipologia di giunti in:

• articolati, che hanno almeno due giunti rotoidali con assi paralleli
• antropomorfi, che hanno solo giunti rotoidali e somigliano all'articolazione di un braccio umano (e per questo sono chiamati anche bracci robotici o robot arm)
• cartesiani, che hanno un meccanismo simile a quello di una stampante 3D
• cilindrici, come il manipolatore che usiamo con i PLC

I robot industriali più utilizzati sono:

• gli articolati a sei assi, per le applicazioni industriali pesanti (il capostipite è il PUMA, già in uso negli anni ottanta)
• gli SCARA, robot a quattro assi usati nell'assemblaggio
• i delta, robot a quattro assi, veloci e a bassa inerzia, usati nella manipolazione di piccole parti

Negli ultimi anni sono sempre più diffusi anche i robot collaborativi o cobot. Sono piccoli robot a sei o sette assi, usati nel campo dell'assemblaggio, della manipolazione e dell'asservimento macchina, fatti per lavorare fianco a fianco con le persone senza barriere di sicurezza. Questo è possibile perché sono piccoli e leggeri, non hanno parti appuntite o pericolose e sono dotati di sensori che arrestano istantaneamente il movimento in caso di collisione. Oltre a questo sono facili da installare e utilizzare e possono essere programmati anche con una tecnica di auto-apprendimento che permette di programmare il robot senza scrivere codice ma spostando manualmente il tool e memorizzando le posizioni da raggiungere. Il robot in dotazione al laboratorio è un robot collaborativo della ABB. Questa soluzione ha molti vantaggi:

• costo contenuto
• ingombro ridotto e facilità di trasporto (da un laboratorio a un altro)
• bassa potenza e alimentazione monofase disponibile ovunque
• intrinsecamente sicuro quindi adatto ad un ambiente scolastico
• con un ambiente di sviluppo che permette di programmare e simulare senza essere fisicamente collegati al robot (ogni studente lavora singolarmente) e che è lo stesso utilizzato per i grandi robot industriali

Il nostro robot collaborativo è il modello YuMi Single Arm, indicato anche con la sigla IRB15040. Le sue caratteristiche sono queste:

• 7 DOF (sette assi)
• payload 0,5 Kg
• raggio d'azione 0,5 m
• velocità 1,5 m/s
• peso 9,5 Kg
• controller Omnicore C30
• unità di programmazione esterna Flexpendant
• end-effector: Smartgripper ABB che monta:
  • una pinza da 5cm
  • una presa a vuoto (richiede alimentazione esterna con aria compressa a 4 bar)
  • un sistema di visione integrato

Il controller nella parte inferiore del carrello si occupa di:

• alimentare e controllare con precisione i movimenti dei servomotori
• comunicare con dispositivi esterni (Flexpendant, PC, PLC, altri robot)
• gestire i movimenti del robot ed eseguire i programmi

Di fatto si tratta di un computer con una potenza di calcolo elevata su cui gira un sistema operativo dedicato (Robotware 7) ma che a bordo integra anche tutta l'elettronica di potenza che serve a pilotare i motori e le interfacce per gestire i segnali del robot e di altri dispositivi esterni, sia come ingressi che come uscite.

Nei robot ABB l'unità di programmazione esterna (teach pendant) collegata al controller viene chiamata Flexpendant³⁾. Questo dispositivo, dotato di joystick e touchscreen, serve a:

• muovere manualmente il robot (jog) con un joystick
• definire target e movimenti
  • spostando il TCP col joystick
  • spostando fisicamente i giunti del robot nella modalità lead-through
• programmare il robot con un interfaccia intuitiva e semplificata
• caricare i programmi, avviare o arrestare l'esecuzione dei programmi

Volendo si può programmare e utilizzare il robot con la sola Flexpendant. In questa modalità, detta programmazione online perché per utilizzare la Flexpendant bisogna essere fisicamente collegati al robot, si definiscono i target spostando il TCP nelle posizioni desiderate, si specifica da touchscreen che tipo di percorso compiere e quali azioni svolgere con il tool e si salva il programma che il robot poi eseguirà ripetutamente in maniera automatica. Questa soluzione è veramente semplice ma richiede la presenza del robot e dell'operatore sul campo, cioè nell'ambiente di lavoro del robot. Per sfruttare appieno le potenzialità del robot bisogna ricorrere alla programmazione offline. In questa modalità la programmazione si fa al PC, senza essere necessariamente collegati al robot, usando l'ambiente di sviluppo (IDE) RobotStudio di ABB. Con questo software si può:

• simulare la stazione robotica, cioè il robot e il suo ambiente di lavoro
• sfruttare tutte le potenzialità del robot usando un ambiente di sviluppo sofisticato
• programmare il robot usando un linguaggio testuale con tutte le caratteristiche di un editor moderno (syntax highlighting, auto-completamento, debugging, ecc.)

In un laboratorio scolastico la programmazione offline è la più indicata perché consente a tutti gli studenti di lavorare contemporaneamente a un progetto ed eventualmente testare la propria soluzione singolarmente collegandosi al robot.

Per programmare il robot occorre:

• definire dei target, cioè delle pose (posizione e orientamento) che deve raggiungere il TCP
• definire i movimenti che il robot deve compiere per raggiungere i target
• definire le azioni che deve svolgere il tool una volta raggiunti i target

La definizione di posizione e orientamento di un target (o di qualunque altro oggetto) è data rispetto ad un sistema di riferimento scelto opportunamente. I vari sistemi di riferimento sono a loro volta definiti uno rispetto all'altro a partire da quello principale, detto work object zero (wobj0), posto alla base del robot. Altri sistemi di riferimento di uso comune sono:

• tool0, posto sulla flangia del robot
• servo, coincidente col TCP della pinza

Ma ce ne posso essere molti altri. In generale conviene definire sistemi di riferimento specifici a seconda dell'applicazione. Ad esempio se il robot deve eseguire una lavorazione su un pezzo conviene definire un riferimento specifico, detto work object, centrato su uno spigolo del pezzo perché:

• faciliterà la definizione dei target usando un sistema di riferimento locale
• permette di spostare il pezzo senza modificare i target

La movimentazione del robot può avvenire in due modi:

• per giunti, specificando la posizione in gradi di ogni giunto
• linearmente, spostando il TCP lungo gli assi cartesiani di un sistema di riferimento

La movimentazione lineare è particolarmente utile ma richiede una potenza di calcolo elevata per risolvere un problema di cinematica inversa, ovvero calcolare posizioni e velocità dei vari giunti che consentano di raggiungere la posizione desiderata. Questo compito può essere molto difficile, infatti:

• un target può essere raggiunto con più configurazioni diverse dei giunti
• alcune configurazioni sono critiche perché possono portare a delle singolarità, ovvero configurazioni dove due assi risultano allineati, il calcolo fallisce o i movimenti richiedono velocità molto elevate per superare la singolarità (vedi questo video o questo o questo specifico del robot IRB14050)

Nel raggiungere un target allora è particolarmente importante considerare il tipo di movimento e la configurazione con cui lo si raggiunge. Proprio per questo, nei robot ABB, i target vengono memorizzati in un tipo di dati chiamato robtarget che oltre alla posa contiene anche la configurazione del robot scelta per il target.

Nell'esecuzione del programma il robot si muove lungo dei percorsi, definiti con la Flexpendant o con RobotStudio, che contengono le istruzioni di movimento. In queste istruzioni, oltre al target da raggiungere, si specifica:

• il tipo di movimento, che può essere:
  • moveJ (move joint), quello predefinito che segue una traiettoria ottimizzata per avere la massima velocità con le minime sollecitazioni e con configurazioni “naturali” che evitano le singolarità
  • moveL (move linear), che segue una traiettoria rettilinea
  • moveC (move circular), che segue una traiettoria circolare
  • la velocità in mm/s
• precisione, definita dal parametro zone, che indica la massima distanza ammissibile dal punto esatto del target
• il tool, ovvero il TCP che deve raggiungere i target (ad esempio servo per la pinza)
• il workobject, cioè il sistema di riferimento da considerare nello spostamento

In genere si muove il robot con movimenti moveJ tranne quando si devono fare lavorazioni precise. In questo caso ci si avvicina al punto di lavoro definendo un target su punto di approccio, da raggiungere con movimenti moveJ, per poi procedere con movimenti moveL solo dove è necessario; per allontanarsi si definisce un target su un punto di svincolo e da lì si procede con movimenti moveJ.

• generalità sui sistemi robotici industriale, motivazioni, applicazioni (video)
• il robot PUMA: video promozionale del 1981⁴⁾ che permette di introdurre tutti i temi riguardanti la robotica industriale (vantaggi, utilizzi, giunti, programmazione online, movimento per giunti, sistemi di coordinate e movimenti cartesiani, cinematica inversa calcolo e singolarità, programmazione offline, cambio tool, ispezione e sistema di visone)
• confronto con la soluzione moderna: video del robot IRB 14050, robot collaborativi, programmazione semplificata (wizard, auto-apprendimento o lead through)
• quanto costa un robot collaborativo, produttori principali di robot
• perché un cobot: costo, trasportabilità, peso e ingombro, alimentazione, sicurezza, facilità d'uso
• perché il robot IRB 14050: il più usato nella didattica, programmazione-offline, stesso ambiente di sviluppo dei robot industriali
• esame delle parti del robot IRB14050 e della funzione svolta: parte meccanica e tool, controllore, flexpendant
• prime movimentazioni: accensione e attivazione motori, jog manuale da flexpendant, jog asse per asse e jog lineare, allineamento

• documento con i dati tecnici del robot
  • 7 giunti invece che 6 (ridondante)
  • articolazioni (joint) prismatiche e rotoidali
  • connettori nella parte posteriore del robot
  • tipologie di motori robot (brushless in quelli seri altrimenti stepper)
  • riduttori
  • sensori di posizione (resolver nelle applicazioni industriali altrimenti encoder)
  • payload, raggio d'azione e spazio di lavoro del robot
  • caratteristiche dell'end-effector

• primo avvio di RobotStudio
• panoramica dell'interfaccia di RobotStudio
• creazione di una stazione con IRB14050, Virtual SmartGripper e SmartGripper, controller e Flexplendant

• movimentazione del robot con Flexpendant in simulazione e dal vero
• movimento per giunti e movimento lineare
• allineamento del tool al piano e riorientamento del tool
• movimento della pinza
• pick and place manuale (spostamento di un pezzo dal piano a un contenitore)

• interfaccia della Flexpendant:
  • pagina principale e pagine secondarie, chiudere le pagine
  • tasti fisici
  • control panel: auto/manual, motori on/off, velocità, reset programma, avvio/arresto/passo-passo
  • execution: singola/continuoua
  • barra di stato, impostazioni, logout
  • jog: vista, informazioni sulla posizione, lock dei movimenti, sistema di coordinate, tipo di movimento, tool e workobject
• controllo del robot dalla Flexpendant virtuale
• generalità sulla movimentazione del robot: percorsi, tipo di movimento, singolarità
• istruzioni di movimento: tool, moveJ, moveL, velocità, zone
• programmazione grafica con l'applicazione Wizard su Flexpendant usando un interfaccia grafica a blocchi simile a Scratch
• collegamento al compressore e prova con la pinza a vuoto

La documentazione sul robot si può scaricare dal portale ABB della documentazione (alcuni richiedono una registrazione al sito).

• portale robotica educational
• portale robotica
• robot collaborativi
• pagina prodotto IRB14050 sul webshop
• pagina prodotto IRB14050 (in inglese) con datasheet e documentazione
• tutorial sull'uso dell'IRB14050

• materiale informativo
  • datasheet IRB14050 (2 pagine)
  • Catalogo robot ABB
  • Presentazione robot collaborativi
• documenti tecnici più utili
  • Manuale del sistema Omnicore, installazione e uso del robot con l'unità di programmazione esterna Flexpendant
  • Panoramica del linguaggio RAPID (180 pagine)
• altri documenti tecnici
  • Dati tecnici del robot IRB14050
  • Manuale della pinza SmartGripper, end-effector del robot
  • Manuale del robot IRB14050 (installazione e manutenzione)
  • Manuale Wizard per la programmazione semplificata su Flexpendant
  • Manuale completo del RAPID (2000 pagine)
  • Manuale operativo di Robotstudio, ambiente di sviluppo per programmazione offline
  • Manuale del controller Omnicore C30

• video:
  • Presentazione del robot Single Arm YuMi (IRB14050)
  • playlist tutorial sul robot IRB14050 su Youtube
  • Playlist su Youtube sulla programmazione con Wizard
  • dimostrazione delle singlarità del robot IRB14050
  • Video tutorial su RobotStudio dal portale ABB
  • playlist di tutorial sul controller Omnicore su Youtube

• altro
  • howto dal sito RobotStudio
  • forum ufficiale di RobotStudio
  • |modello 3D delle dita robot
  • Tutorial Pick and Place di Lepori (formatore ABB)
  • RoboDK software di simulazione e programmazione gratuito vendor-independent

• stazione o isola robotica: robot (con il suo tool) e ambiente di lavoro del robot
• frame: terna di frecce che indicano gli assi xyz di un sistema di coordinate
• sistema di coordinate: permette di definire la posizione e l'orientamento di un elemento (un robot, un tool, un oggetto di lavoro, un altro sistema di riferimento) rispetto ad un altro; spostando un sistema di riferimento anche tutti gli oggetti definiti rispetto ad esso si spostano⁵⁾
• pose: indica la posizione, definita da tre coordinate cartesiane (xyz), abbinata all'orientamento, definito con gli angoli di Eulero, YPR o quaternioni
• flangia: parte terminale del robot dove si monta il tool
• tool/end-effector: montato sulla flangia del robot per svolgere un compito specifico (prendere, saldare, verniciare, ecc.)
• TCP (Tool Center Point): è sistema di coordinate posto al centro del tool; è dove l'end-effector svolge il suo compito quindi è il sistema che vogliamo controllare nelle applicazioni robotiche
• smart component: componente “intelligente” di Robotstudio (ad es. smartgripper) che serve solo nella simulazione per interagire con altri oggetti simulati
• jog: movimentazione manuale del robot
• approccio/svincolo: posizioni vicino ai target dove si userà il tool che possono essere raggiunti con movimenti semplici e veloci (joint)
• snap: negli IDE facilita l'individuazione delle coordinate di un punto in base alla geometria degli oggetti
• singolarità: configurazione da evitare perché uno o più giunti risultano allineati e porta a un comportamento anomalo e imprevedibile del robot (assi bloccati, velocità molto elevate, errore di calcolo)
• cinematica diretta: calcolo della posizione e dell'orientamento del TCP conoscendo la posizione dei singoli giunti
• cinematica inversa: calcolo di posizione e velocità dei singoli giunti per raggiungere una determinata posizione con l'orientamento desiderato (è un problema molto più complicato richiede una potenza di calcolo elevata, il calcolo può fallire)

da completare