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Funzione e descrizione degli attuatori in robotica:
Gli attuatori costituiscono gli elementi di realizzazione del movimento delle parti
meccaniche del robot. Sono in genere racchiusi nell’intelaiatura del robot e devono
essere caratterizzati da estrema compattezza e talvolta leggerezza. Costituiscono la
parte di potenza del robot perché assieme agli organi di trasmissione ricevono
energia dalla parte di controllo che, a sua volta, è preposta al controllo della parte
di potenza.
SCHEMA LOGICO:
Gli attuatori in generale si distinguono in classi differenti in base a:
1)TIPO DI ENERGIA UTILIZZATA:
 Idraulica
 Pneumatica
 Elettrica
 Meccanica
 altro
2) TIPO DI MOVIMENTO:
 lineare - rettilineo
 rotativo
Ulteriori differenziazioni tra gli attuatori si possono condurre secondo:
3) TIPO DI UTILIZZAZIONE :
spostamento
forza
velocità
composto
funzionale ( programmabile )
4) TIPO DI SISTEMA:
composto
singolo
5) TIPO DI CONTROLLO eseguito sulla parte di potenza:
a ciclo aperto
a ciclo chiuso
Principali tipi di attuatori in robotica
In robotica sono utilizzati in maniera differenziata in relazione alle caratteristiche e
finalità di utilizzazione del robot e all’ambiente di lavoro i seguenti tipi di
attuatori:
IDRAULICI :
utilizzano come vettore di energia l’olio che ,con buona approssimazione, è
considerabile come un
fluido incomprimibile ; una tale caratterizzazione comporta la possibilità di :
1. . generare forze molto elevate e quindi grandi potenze (elevate pressioni
senza grosse perdite lungo
il circuito) . Grazie alla spinta idrostatica infatti, è possibile ottenere grandi
forze in volumi contenuti.
2. seguire leggi di moto volute con alta precisione ;
ALCUNE GRANDEZZE MECCANICHE ED ELETRICHE
CARATTERIZZANTI :
densità dell’olio = 900 kg/m3
modulo di comprimibilità a compressione cubica e = 3*109 N/m2
dimensioni geometriche (alesaggio, corsa per attuatori lineari, cilindrata per
attuatori rotativi)
massima pressione di esercizio
rendimento dei motori (superiore al 90%)
forza o coppia max generabile
velocità di funzionamento attuatori rotativi(tra 30 e 3000 giri/min)
PNEUMATICI :
utilizzano come fluido vettore di energia l’aria compressa con indubbi vantaggi in
termini di pulizia , antideflagranza, innocuità e insensibilità alle variazioni di
temperatura.
D’altra parte occorre ricordare che, al contrario dei sistemi oleoidraulici, non si
possono raggiungere pressioni troppo alte (max 10 bar) né si possono sviluppare
forze eccessive (e quindi neanche grandi potenze).
Il maggior limite è costituito dalla comprimibilità dell’aria che rende impossibile
controlli in posizione. La regolazione quindi non è più di tipo continuo ma
semplicemente presente oppure no :funzionamento ON-OFF.
Particolare importanza rivestono le tenute sottoposte a condizioni meccaniche e
termodinamiche fortemente variabili. Appositi fori (luci) permettono l’entrata e
l’uscita dell’aria.
Esistono due grosse famiglie di attuatori pneumatici: quelli a semplice e quelli a
doppio effetto. La differenza sta nel fatto che i secondi ottengono la spinta in
entrambe
le fasi della corsa del pistone sfruttando la differenza di pressione tra i due lati.
Questo tipo di attuatore però produce un movimento di tipo traslatorio, date le
esigenze della robotica (la maggior parte dei movimenti sono rotazioni) dovremo
trasformare opportunamente il moto tramite accoppiamenti elicoidali o meccanismi
ad ingranaggi.
ALCUNE GRANDEZZE MECCANICHE ED ELETRICHE
CARATTERIZZANTI:
densità dell’aria = 10kg/m3 (a 8 bar)
forze massime sviluppabili » 5000 daN
pressioni massime di alimentazione » 10bar
pressione nominale di funzionamento
dimensioni geometriche (alesaggio, corsa massima)
ELETTRICI:
sono in assoluto il tipo di attuatore più utilizzato per conferire i movimenti ai
robots (basta notare l’abbondanza di motori elettrici che gestiscono i movimenti
dei giunti); sono praticamente tutti di tipo rotativo.
L’ampia diffusione è collegata anche alla possibilità di effettuare controlli molto
precisi in posizione e velocità grazie a software dedicati.
Non presentano controindicazioni di tipo particolare se non il pericolo termico e la
saturazione dei circuiti magnetici (è per questo che bisogna valutare
attentamente le condizioni d’uso come ambienti e tempi di impiego).
I motori elettrici più utilizzati sono :
MOTORI A CORRENTE CONTINUA: particolarmente indicati per il controllo
continuo di posizione e velocità. Presentano come inconvenienti il riscaldamento
eccessivo del rotore, la presenza di un collettore a lamelle (scintilli e usura) e le
elevate inerzie.
All’interno di questa famiglia di motori si distinguono :
1. motori a c.c. a magneti permanenti
2. a terre rare
MOTORI A CORRENTE ALTERNATA: sono molto diffusi nel campo del controllo
per la loro capacità di mantenere costante la velocità vista la loro curva
caratteristica verticale nella zona di lavoro.
MOTORI BRUSHLESS: sono motori che stanno sostituendo i servomotori c.c.
tradizionali perché presentano i magneti disposti sul rotore e gli avvolgimenti sul
rotore mentre la commutazione non è più a lamelle ma in mano a un circuito di
controllo elettronico. Ne consegue una capacità del motore di raggiungere velocità
più elevate con un limite di coppia
praticamente costante con minori problemi di surriscaldamento e manutenzione più
limitata.
MOTORI PASSO : si tratta di motori sincroni particolarmente indicati per un
controllo di precisione nel tempo della posizione e della velocità in catena aperto
perché ruota di una quantità prefissata per ogni impulso ricevuto dal sistema di
controllo attraverso un driver che converte l’impulso in corrente continua.
Caratteristica di questo motore è proprio il passo p in cui è
suddiviso l’angolo giro del motore. Tra i lati negativi di questo
motore sono da considerare le modeste potenze erogabili ma
soprattutto la perdita del passo che pregiudica irreparabilmente
il controllo di posizione del motore.
ALCUNE GRANDEZZE MECCANICHE ED ELETRICHE
CARATTERIZZANTI:
potenza nominale sviluppabile ( da 1kW a decine di kW e oltre)
coppia nominale sviluppabile (in Nm)
classe di isolamento del motore
tensione di alimentazione (monofase o trifase)
n° di poli (o velocità angolare del motore espressa in n° di giri)
1. Movimento free - flying del robot FRIEND 3
Il robot FRIEND, sviluppato nell’ambito di un precedente contratto con l’Agenzia
Spaziale Italiana (ASI) è stato realizzato per l’afferraggio di un corpo libero nello
spazio.
Il prototipo - modello è funzionante nel Laboratorio di Robotica, Dipartimento di
Meccanica, Politecnico di Milano.
La figura 1.1 mostra la configurazione con una sfera centrale che contiene il
controllo, le schede e gli azionamenti; i due bracci hanno una apertura totale di 5
metri. Lo schema di movimento è rappresentato in figura 1.2.
Figura 1.1 – Configurazione del robot FRIEND Figura 1.2 – Schema del
movimento del robot FRIEND
Figure 1.3 e 1.4 – Prototipo del robot FRIEND realizzato e funzionante presso il
Laboratorio di Robotica e Telerobotica del Dipartimento di Meccanica del
Politecnico di Milano
Il robot FRIEND 3 sviluppa l’esperienza acquisita con la realizzazione di FRIEND
ed è stato studiato anche per il moto free-flying, sia per superare ostacoli, sia per
avere un proprio movimento libero per afferrare oggetti orbitanti.
Nell'afferraggio di oggetti "galleggianti" in orbita si deve distinguere tra due casi
fondamentali: quello in cui l'oggetto è fermo rispetto al centro di massa del robot e
quello in cui l'oggetto si muove relativamente al centro di massa del robot.
Se non vi è moto relativo tra il centro di massa del robot e l'oggetto da afferrare è
possibile garantire la presa senza alterazioni della posizione e dell'orientamento del
FRIEND 3.
In questo caso bisogna non toccare l'oggetto prima del serraggio delle pinze per
evitarne la fuga in quanto respinto con velocità maggiore di quella che consente
l'afferraggio .
Attuatori e Corpo Motore
Il movimento di ogni singolo giunto del manipolatore è fornito da un
attuatore o corpo motore localizzato in prossimità dell’asse di rotazione del
giunto stesso. Ogni corpo motore è costituito da:
 Un motore Brushless DC
 Un riduttore di velocità di tipo Harmonic Drive
 Un freno, per impedire il movimento dei bracci sotto azione della forza
d’inerzia
 Un Encoder ottico con risoluzione a 16 bit, per il controllo di posizione
 Un sensore di coppia, da montarsi sull’asse del motore.
Il motore viene comandato alimentato da un dispositivo servo amplificatore,
che fornisce un segnale in corrente modulato a larghezza d’impulsi PWM in
grado di comandare il motore. L’intero corpo motore è alloggiato all’interno
di un contenitore cilindrico di lega di alluminio, per esempio AISI 6061-T6,
in grado di garantire un peso minimo e un’elevata rigidezza. In figura 7 è
riportato un gruppo motore utilizzato all’interno del manipolatore RMS
(Remote Manipulator System) montato a bordo dello
Space Shuttle.
Figura N. 7 Corpo Motore manipolatore RMS
I motori usati per un primo dimensionamento sono quelli della minimotor e
vengono scelti in analogia ad altre applicazioni esistenti.
I motori usati in ambito spaziale sono di tipo brushless a corrente continua.
La scelta che si fa per adesso è, comunque, quella di usare un motore di tipo
"terrestre" e di studiare successivamente quali modifiche apportare per
l’impiego spaziale.
E’ comunque facilmente intuibile che i motori per l’impiego spaziale
dovranno avere un rivestimento per permettergli di funzionare in tutto il
campo di temperatura assegnato (in ambito spaziale le escursioni di
temperatura sono particolarmente ampie) e rendimenti elevati per ridurre al
minimo la "generazione" di calore, in quanto che, nel vuoto, l’unico mezzo
per asportarlo è l’irraggiamento.
I motori scelti sono collegati a riduttori di tipo harmonic-drive con altissimi
rapporti di riduzione, in questo modo a pari potenza installata si possono
usare motori di piccola dimensione. Infatti, tenendo conto che è la coppia
motrice massima a determinare la taglia di un motore, con forti riduzioni si
riescono a ottenere coppie all’utilizzatore sufficientemente elevate partendo
da un motore che gira ad alta velocità fornendo una coppia modesta.