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MECHATRONICS & INDUSTRIAL ROBOTICS

COMPETENZE

Analisi di macchine a cinematica parallela (PKM)

Le macchine ad architettura cinematica parallela, dopo aver suscitato per oltre mezzo secolo un interesse crescente da parte della ricerca, stanno assumendo in questi ultimi anni una decisa importanza industriale ed economica in numerosi e differenti campi applicativi, ponendosi in competizione con le tecnologie tradizionali e con i robot seriali. La maggiore complessità dell’architettura parallela comporta nuovi problemi, ad oggi non completamente risolti, che tuttavia possono essere efficacemente affrontati utilizzando gli strumenti cinematici ed informatici attualmente disponibili ai ricercatori.

Un robot a cinematica parallela, o robot parallelo, è un robot caratterizzato da una struttura in cui sono riconoscibili catene cinematiche chiuse. Di fatto, un robot parallelo è formato da una piattaforma mobile che funge da terminale e che viene sostenuta e posta in movimento da due o più catene di corpi, generalmente chiamate gambe. Tale caratteristica conferisce ai robot paralleli delle proprietà duali rispetto ai robot seriali: sono capaci di grandi prestazioni dinamiche (elevate accelerazioni), elevata rigidezza e capacità di carico; per contro, soffrono di un piccolo spazio di lavoro e di destrezza non elevata.

La ricerca nel campo dei robot paralleli si focalizza, ad oggi, sull’ideazione di nuove strutture cinematiche in grado di esibire comportamenti cinematici utili ad essere sfruttati per applicazioni pratiche. In questo campo, il gruppo di Meccanica delle Macchine ha progettato e prototipato due macchine innovative ad architettura 3-CPU (ovvero con catena di giunti Cilindrico-Prismatico-Universale) per moti di pura traslazione (Robot I.Ca.Ro.) e per moti di pura rotazione (robot Spe.I.Ro.).

Robot I.Ca.Ro.

I.Ca.Ro. (Innovative Cartesian Robot) è un prototipo di robot ad architettura parallela innovativa sviluppato dal gruppo di Meccanica Applicata alle Macchine.

La cinematica utilizzata conferisce alla piattaforma mobile 3 gradi di libertà di pura traslazione e pertanto risulta di largo interesse per una vasta gamma di applicazioni.

Tra le prestazioni più interessanti si possono menzionare la capacità di spinta verticale di 4300 N , la velocità ed accelerazione massime rispettivamente di 1,06 m/s e di 9 g in direzione verticale.

Il sistema di controllo è realizzato su scheda dSPACE: un controllo di posizione PID consente attualmente di pilotare il terminale lungo traiettorie classiche, mentre un controllo attivo di impedenza permette una interazione del manipolatore con l’ambiente esterno.

Robot Sphe.I.Ro.

Sphe.I.Ro. (Spherical Innovative Robot) è un prototipo di robot ad architettura parallela innovativa sviluppato dal gruppo di Meccanica Applicata alle Macchine.

La cinematica è analoga a quella del robot I.Ca.Ro., ma attraverso una diversa disposizione dei membri la piattaforma mobile presenta 3 gradi di libertà di pura rotazione.

L’utilizzo di motori lineari conferisce prestazioni elevate in termini di accelerazioni massime raggiungibili al terminale; inoltre la natura parallela del robot si traduce in una elevata rigidezza strutturale.

Il sistema di controllo è realizzato su piattaforma National Instruments (scheda Flexmotion): le rotazioni sono ottenute attraverso un controllo di posizione PID e l’interazione del manipolatore con l’ambiente esterno è gestita mediante un controllo attivo di impedenza.

DISASEMBLAGGIO ROBOTIZZATO

Nell’ambito del progetto Raeecovery (POR MARCHE FESR 2014‐2020) il gruppo MdM si è occupato della progettazione meccanica di una cella robotizzata per il disassemblaggio di componenti elettronici (microprocessori, memorie etc.) da schede elettroniche. Lo scopo del progetto è l’incentivazione della politica del riuso, e secondariamente del recupero di materiali preziosi, nel settore dell’elettronica; la fattibilità economica e tecnica dell’operazione di disassemblaggio è stata valutata e verificata tramite la prototipazione di una cella basata su una tradizionale saldatrice ad onda, sulla quale è stato integrato un manipolatore cartesiano a due assi dotato di ventosa per l’asportazione dei componenti. La quasi totalità dei componenti testati dopo l’estrazione è risultata essere perfettamente riutilizzabile senza la necessità di ulteriori operazioni di pulizia da residui di lavorazione.

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CALIBRAZIONE CINEMATICA

Il gruppo MdM ha sviluppato competenze nella calibrazione cinematica dei manipolatori, sia nella definizione dei modelli dell’errore cinematico e dei relativi algoritmi numerici per la stima dei parametri, sia nelle tecniche sperimentali di misura. Particolare rilievo è stato dato all’utilizzo della visione artificiale per la determinazione della posa dell’end-effector del manipolatore, utilizzando configurazioni con telecamera fissa (eye to hand) o mobile, movimentata dallo stesso organo terminale del manipolatore (eye in hand). Le tecniche di calibrazione sviluppate sono state applicate a prototipi di manipolatori realizzati all’interno del laboratorio del gruppo MdM, sia su larga scala che su micromanipolatori ad elevata precisione.

APPLICAZIONI DI ROBOTICA AVANZATA

Il gruppo di Meccanica delle Macchine (MdM) ha maturato esperienze e competenze tecnico-scientifiche di robotica industriale applicata alle nuove tecnologie di lavorazione, quali la formatura incrementale, la flangiatura e la saldatura per attrito di componenti in acciaio, alluminio e leghe metalliche. Attraverso l’impiego di strumentazione robotica, supportata da strumenti software CAE, sono stati svolti studi di fattibilità di processi industriali convenzionali e innovativi, sono state sviluppate nuove leggi di moto per il percorso utensile e sono stati analizzati processi di deformazione e di taglio. Inoltre, in accordo con la corrente tendenza ad integrare in ambito industriale sistemi di visione artificiale, sono stati sviluppati controlli ad asservimento visuale, finalizzati ad un miglioramento delle prestazioni di processo, adattabili a numerose esigenze industriali, quali ad esempio il controllo qualità, il riconoscimento di forme 2D/3D, la misura dimensionale, le ispezioni di oggetti e la navigazione dei robot. In figura, a titolo di esempio, viene mostrato un banco prova per la formatura incrementale di lamiere destinate al settore automotive. Il robot industriale mostrato possiede elevate prestazioni di spinta, conferite dalla sua architettura cinematica ibrida, con un braccio a cinematica parallela ed un polso a cinematica seriale. Lo sviluppo di un modello statico del robot ha consentito una indagine approfondita delle condizioni ottimali di lavorazione di lamiere sottili in leghe di alluminio e magnesio.

PROTOTIPAZIONE RAPIDA

Con il termine stampa 3D si definisce la realizzazione di oggetti tridimensionali mediante Produzione Additiva (PA), a partire direttamente da un modello digitale ottenuto utilizzando programmi di modellazione solida (CAD). Il laboratorio di Meccanica Applicata dispone di una stampante 3D Form 2, prodotta dalla Formlabs. La tecnica utilizzata da questa macchina per la deposizione ed il successivo consolidamento degli strati consecutivi di materiale è la stereolitografia laser (SLA): nella Form 2, una speciale resina liquida in grado di polimerizzare se esposta alla luce diretta, viene deposta in una vasca trasparente in cui è immersa una base in alluminio motorizzata in grado di traslare verticalmente. Un raggio laser viene quindi proiettato attraverso il fondo della vasca, polimerizzando lo strato di resina direttamente a contatto con la base metallica e creando così il primo strato di materiale. La base di alluminio viene quindi sollevata leggermente ed il processo si ripete layer by layer fino a completare l’oggetto da stampare. Il gruppo di Meccanica Applica ha fatto ampio uso di questo strumento per la Prototipazione Rapida di parti e meccanismi, oltre che per lo studio delle caratteristiche dei materiali di stampa. L’elevata precisione ed affidabilità della Stereolitografia è stata sfruttata nella realizzazione delle superfici idrodinamiche utilizzate nei progetti di robotica sottomarina e nella prototipazione di giunti riconfigurabili e robot a cinematica parallela, oggetto di ricerca per il gruppo di Meccanica Applicata. Nello studio delle resine, si è valutata invece la sensibilità delle caratteristiche meccaniche del materiale e della finitura superficiale del pezzo, in funzione dell’orientamento della parte all’interno dell’area di stampa.

DINAMICA MULTIBODY

I sistemi multi-body sono sistemi meccanici costituiti da più corpi, rigidi o deformabili, soggetti a movimenti relativi dovuti alla deformabilità stessa dei corpi o alla presenza di vari tipi di coppie cinematiche e vincoli relativi. Lo studio di questi sistemi, inizialmente basato su tecniche grafiche e/o analitiche, ha avuto un grande sviluppo negli ultimi anni grazie all’introduzione di software specifici per la simulazione multi-body. Una volta creato il modello mediante interfaccia grafica – definti quindi la geometria, le proprietà inerziali dei corpi, i vincoli e le forze – il programma genera in modo automatico le equazioni dinamiche del sistema in funzione dei suoi gradi di libertà. I software multi-body consentono di risolvere problemi di analisi cinematica (assemblaggio, simulazione del movimento del sistema a prescindere dalle forze agenti), dinamica (diretta e inversa, piccole oscillazioni) e sintesi (analisi di sensibilità, ottimizzazione di meccanismi). Il gruppo di Meccanica Applicata dispone della versione licenziata del software multi-body ADAMS, distribuito dalla MSC Software. Il programma è largamente utilizzato come strumento didattico messo a disposizione degli studenti per lo svolgimento di elaborati, tirocini, tesi di laurea triennale e magistrale; è inoltre oggetto del corso di Meccanica delle Macchine Automatiche per la modellazione e simulazione di robot industriali. Come strumento di ricerca, ADAMS viene utilizzato dai membri del gruppo per l’analisi di sistemi meccanici. Tra le applicazioni più recenti, si ricorda la modellazione di macchine a cinematica parallela, robot flessibili e la sintesi delle trasmissioni meccaniche installate sui prototipi di robot pesciforme messi a punto negli ultimi anni. In quest’ultimo progetto in particolare, la flessibilità di ADAMS è stato sfruttata per realizzare un framework in cui integrare i risultati delle previsioni numeriche fluidodinamiche, i modelli delle forze idrodinamiche agenti sul veicolo e le più avanzate tecniche di controllo della traiettoria durante la navigazione.

DINAMICA DEI SISTEMI CONTINUI

L’analisi dinamica consiste nello studio del comportamento cinematico e dinamico di sistemi meccanici. Se i corpi sono rigidi il relativo modello comporta la risoluzione di un sistema di equazioni algebrico o algebrico/differenziale; se invece è necessario tenere conto anche della deformabilità delle componenti della macchina, il relativo modello si complica, soprattutto nel caso in cui si intendano gestire flessibilità distribuite.

In questo campo il gruppo di Meccanica delle Macchine ha sviluppato negli anni passati una certa esperienza, in particolare grazie alla collaborazione scientifica con Snamprogetti di Fano che ha portato alla creazione di modelli non-lineari di vario tipo, analitico e numerico, adatti a studiare il comportamento statico e dinamico delle condotte sottomarine in esercizio e, soprattutto, durante il varo. Tali modelli, ed a maggior ragione le metodologie di studio utilizzate, hanno mostrato un interesse più ampio dello specifico campo per cui sono stati sviluppati.

Più di recente, le competenze tecniche acquisite nel settore hanno portato alla realizzazione di modelli elastici distribuiti per la simulazione di sistemi robotici a membri flessibili. Il problema, noto da anni nel settore della robotica avanzata, suscita particolare interesse nel caso in cui le catene cinematiche in questione siano chiuse (robot paralleli). In questo settore molto specializzato infatti, la rigidezza delle parti della macchina assume un ruolo molto importante laddove è di interesse analizzare la deformabilità di macchine che nascono per essere intrinsecamente rigide, ovvero dove è di interesse investigare l’effetto di elevate accelerazioni sull’elastodinamica del sistema multi corpo.

TECNOLOGIE

Matlab & Simulink by Mathworks

Software di calcolo per lo sviluppo di modelli e processamento di dati.

ADAMS by MSC

Software suite per la simulazione dei sistemi dinamici a corpi rigidi o deformabili.

Form2 by Formlabs

Stampante 3D ad elevata risoluzione per la prototipazione rapida di componenti e meccanismi.

National Instruments

Schede di acquisizione segnale, controllori real time e schede logiche ad elevatissima frequenza per il controllo di assi e l’acquisizione di misure di varia natura.

LabVIEW by N.I.

Software suite di National Instruments per la gestione degli hardware NI e lo sviluppo di software per l’ingegneria.

Fast Cam

Diverse camere ad elevata frequenza di acquisizione (fino a 500 fps), e relativo hardware per il processamento immagine, adatte a compiti di visual servoing e misure tramite visione artificiale.

ANSYS

Software per la modellazione e l’analisi strutturale di componenti attraverso il metodo degli elementi finiti.

PCB

Kit per analisi modale PCB Pietrotronics, comprendente accelerometro triassiale, martello strumentato, amplificatore e condizionatore di segnale.