• accelerazione
• friction
• holding force
• vacuum gripper
• velocità
• workpiece

Lo sviluppo di questo elaborato nasce dall’esigenza di migliorare le prestazioni in termini di tempo all’interno di una catena industriale o di qualunque altro apparato robotico. L’obiettivo prefissato è migliorare la velocità di esecuzione di un task con un manipolatore di cui è già stata definita la traiettoria nello spazio di lavoro.
Nella prima fase dello studio è stato considerato un sistema statico costituito da un robot a 6 assi dell’azienda ABB, il modello Irb 1300-10/1.15 con un gripper a ventosa attivo e sono state analizzate tutte le forze che entrano in gioco durante la manipolazione di un oggetto. La scelta del gripper è dovuta al suo largo utilizzo nell’industria, i gripper a ventosa si adattano a tante tipologie di workpiece, sono facili da integrare nell’apparato robotico e non necessitano di un modello cinematico data la semplicità della loro struttura. Le forze che agiscono sul sistema gripper-workpiece dipendono dalla forma e dal materiale di quest’ultimo, dalla posizione del TCP (Tool Center Point) rispetto al centro di massa (CoM, Center of Mass) del pezzo, dal tipo di ventosa utilizzata e dalla dinamica del manipolatore.
In primo luogo, è necessario effettuare un corretto dimensionamento della ventosa poiché le sue prestazioni sono determinate dalla forza di tenuta che essa fornisce, chiamata holding force. La forza di tenuta è la forza necessaria a mantenere (retention) l’oggetto vincolato al gripper dal momento della presa fino al rilascio e va distinta dalla forza di grasping, la quale viene applicata solo nell’istante iniziale della prensione, durante il processo di afferraggio. La holding force può essere di intensità inferiore rispetto a quella di grasping e dipende, nel caso di un suction gripper, dal peso del workpiece, dalla pressione del vuoto internamente generata, dall’area della superficie di contatto tra ventosa e oggetto, da un fattore di sicurezza (safety factor) e dalla distanza del TCP dal CoM. Un cattivo dimensionamento del gripper comporta una scorretta o mancata esecuzione del task.
Nel sistema statico viene studiato l’equilibrio quando su di esso agiscono la forza di tenuta, quella di attrito lungo la superficie di contatto e la forza peso dovuta all’azione dell’accelerazione gravitazionale sul workpiece. Le componenti delle forze sono esaminate rispetto al sistema di riferimento solidale alla ventosa. Garantire l’equilibrio del sistema statico consente di determinare la forza necessaria a trattenere l’oggetto vincolato alla ventosa, nei gripper modulabili è utile a stabilire il numero minimo necessario di ventose.
Dal sistema statico si passa a quello dinamico nel momento in cui si applica un’accelerazione esterna sul workpiece mediante il movimento del manipolatore. Durante il movimento di un oggetto trattenuto da una ventosa emergono delle coppie torsionali il cui equilibrio si basa sull’attrito tra ventosa e oggetto. Supponendo assenti collisioni con ambiente ed ostacoli e di aver dimensionato correttamente la ventosa, le uniche cause che provocano il distacco o lo scivolamento dell’oggetto sono sbilanciamenti di forze tangenziali e coppie torsionali. Analizzando le due situazioni critiche, distacco e scivolamento del workpiece, si trovano i valori dell’accelerazione lineare, inclusa la sua direzione di applicazione, necessari per evitare la caduta dell’oggetto durante lo spostamento. L’analisi sulle accelerazioni e velocità raggiungibili con il robot viene estesa a tutte le possibili configurazioni nello spazio del sistema ventosa-workpiece. Osservando le forze al variare dell’orientamento del sistema si ottengono, all’interno di una sfera di direzioni, tutte le accelerazioni necessarie a garantire la tenuta dell’oggetto.
A seconda della tipologia del workpiece, in particolare della sua forma, è necessario includere nello studio delle forze anche quella di resistenza dell’aria, la quale dipende dalla velocità lineare limite raggiunta dal manipolatore e dalla sezione frontale dell’oggetto che il fluido investe. Una sezione della tesi è rivolta allo studio della resistenza aerodinamica del fluido e al confronto dei risultati delle simulazioni al variare dei parametri del workpiece.
L’ultima fase del lavoro è caratterizzata dalla ricerca dei valori limite massimi di velocità ed accelerazione lungo una traiettoria. Dopo aver scomposto la traiettoria in tanti vettori di direzione consecutivi si applicano le condizioni critiche su ogni tratto per determinare la massima accelerazione raggiungibile. Lo scopo è quello di aumentare, nel tratto in cui è possibile, la velocità lineare del manipolatore senza compromettere la tenuta e ridurre i tempi di esecuzione del task.