Ingegneria attuatori

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.

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 :

• . 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 :

• motori a c.c. a magneti permanenti

• 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.

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.

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.