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Introduzione alla Robotica
Fabrizio Caccavale
AREA Lab
Scuola di Ingegneria
Università degli Studi della Basilicata
[email protected]
Si ringrazia il Prof. Bruno Siciliano per aver fornito il materiale
necessario per la preparazione di questi lucidi
Informazioni generali sul corso
Introduzione alla Robotica
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Docente: Fabrizio Caccavale
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Materiale didattico
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Scuola di Ingegneria, Campus di M. Romana, V piano dell’edificio Ingegneria
Recapito tel. + indirizzo e-mail: 0971/205198 + [email protected]
Avvisi e materiale didattico: http://www2.unibas.it/caccavale/
Lucidi (disponibili in formato pdf su http://www2.unibas.it/caccavale/)
Libro di testo: B. Siciliano, L. Sciavicco, L. villani, G. Oriolo, “Robotica:
Modellistica, Pianificazione e Controllo” (3 ed.), McGraw-Hill
Modalità d’esame
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Discussione elaborato progettuale (assegnato durante il corso)
Prova orale
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Modellistica, pianificazione e controllo
Introduzione alla Robotica
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Modellistica
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Pianificazione
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Cinematica (Cap. 2)
Cinematica differenziale (Cap. 3)
Dinamica (Cap. 7)
Pianificazione di traiettorie (Cap. 4)
Controllo
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Attuatori e sensori (Cap. 5)
Unità di governo (Cap. 6)
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Algebra lineare (App. A)
Meccanica dei corpi rigidi (App. B)
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Robotica
Introduzione alla Robotica
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Studio di macchine che possano sostituire l'uomo nell'esecuzione di un
compito, sia in termini di attività fisica che decisionale
Radici culturali
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Mitologia
Automa
Robot (robota = lavoro esecutivo)
Letteratura fantascientifica
Leggi fondamentali (Asimov)
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Un robot non può far del male a un essere umano né consentire, restando
inoperoso, che un essere umano si trovi in pericolo
Un robot deve obbedire agli ordini impartiti da esseri umani, a meno che tali
ordini non entrino in conflitto con la prima legge
Un robot deve proteggere la sua esistenza a meno che tale protezione non
vada in conflitto con la prima o la seconda legge
Evoluzione della robotica
Introduzione alla Robotica
BISOGNO
SOGNO di macchine
utili
dell’Uomo
di replicare
sé stesso
1975-1985
Robotica
industriale
1800
1920
Applicazioni
manifatturiere
1985-1995
Robotica per
l’esplorazione
2005
Applicazioni
spaziali
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1995-2005
Robotica di
servizio
1430
1750
Applicazioni
mediche
2005-2015
1200
1500
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Robotica
umanoide
Robotica
personale
Definizione
Introduzione alla Robotica
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Robotica: connessione intelligente tra percezione e azione
CONTROLLO
ATTUATORI
SENSORI
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Componenti di un robot
Introduzione alla Robotica
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Sistema meccanico
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Anima le componenti meccaniche del robot
Controllo del moto (servomotori, azionamenti e organi di trasmissione)
Sistema sensoriale
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Organi di locomozione (ruote, cingoli, gambe meccaniche)
Organi di manipolazione (braccia meccaniche, utensili, mani artificiali)
Sistema di attuazione
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Sensori propriocettivi (stato interno del robot)
Sensori esterocettivi (stato esterno dell’ambiente)
Sistema di governo
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Esecuzione dell’azione nel rispetto della pianificazione del compito e dei vincoli
imposti da robot e ambiente
Adozione del principio del feedback (retroazione)
Impiego di modelli del sistema robotico
Robot manipolatori
Introduzione alla Robotica
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La struttura meccanica di un robot manipolatore consiste in un insieme di
corpi rigidi (bracci) interconnessi tra di loro per mezzo di articolazioni
(giunti)
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Struttura portante che assicura mobilità
Polso che conferisce destrezza
Organo terminale che esegue il compito per cui il robot è utilizzato
Struttura meccanica a catena cinematica aperta o a catena cinematica
chiusa
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Mobilità (giunti prismatici o rotoidali)
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Gradi di libertà
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3 per la posizione + 3 per l’orientamento
Spazio di lavoro (porzione dell ambiente circostante a cui può accedere
l organo terminale)
Giunti
Introduzione alla Robotica
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Rotoidali e Prismatici
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Manipolatore cartesiano
Introduzione alla Robotica
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Tre giunti prismatici
Ottime caratteristiche di rigidezza
meccanica
Precisione di posizionamento del polso
costante nello spazio di lavoro
Operazioni di trasporto e
assemblaggio
Azionamenti elettrici (talvolta
pneumatici)
10/43
Manipolatore a portale
Introduzione alla Robotica
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Manipolazione di oggetti di dimensione e peso rilevanti
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Manipolatore cilindrico
Introduzione alla Robotica
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Un giunto rotoidale e due prismatici
Buone caratteristiche di rigidezza
meccanica
La precisione di posizionamento
del polso si riduce al crescere
dello sbraccio orizzontale
Operazioni di trasporto di oggetti
anche di peso rilevante
Azionamenti idraulici (o elettrici)
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Manipolatore sferico
Introduzione alla Robotica
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Due giunti rotoidali e uno prismatico
Discrete caratteristiche di rigidezza
meccanica
La precisione di posizionamento
del polso si riduce al crescere
dello sbraccio radiale
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Operazioni di lavorazione
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Azionamenti elettrici
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Manipolatore SCARA
Introduzione alla Robotica
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! 
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Due giunti rotoidali e uno prismatico
Elevata rigidezza a carichi verticali
e cedevolezza a carichi orizzontali
Selective Compliance Assembly
Robot Arm
La precisione di posizionamento
del polso si riduce al crescere
della distanza del polso stesso
dall asse del primo giunto
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Manipolazione di piccoli oggetti
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Azionamenti elettrici
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Manipolatore antropomorfo
Introduzione alla Robotica
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Tre giunti rotoidali
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Struttura più destra
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Precisione di posizionamento variabile
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Applicazioni molteplici
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Azionamenti elettrici
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Manipolatore parallelo
Introduzione alla Robotica
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Più catene cinematiche che
connettono la base all’organo
terminale
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Elevata rigidezza
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Velocità operative molto elevate
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Spazio di lavoro ristretto
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Manipolatore ibrido parallelo seriale
Introduzione alla Robotica
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Struttura portante parallela
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Cinematica seriale
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Generazione di forze elevate lungo le
componenti verticali
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Polso e organo terminale
Introduzione alla Robotica
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Polso sferico
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Giunti rotoidali che determinano l orientamento
dell organo terminale
Caratteristiche di compattezza e destrezza
Disaccoppiamento tra posizione e orientamento
Organo terminale
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Specificato in relazione al compito che il robot
deve eseguire
Pinza (trasporto)
Utensile o dispositivo specializzato (lavorazione e
assemblaggio)
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Robot mobili
Introduzione alla Robotica
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La struttura meccanica di un robot mobile consiste in un insieme di corpi
rigidi dotati di un sistema di locomozione
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Robot mobili su ruote
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Robot mobili su gambe
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Base (chassis)
Ruote che lo movimentano rispetto al suolo
Eventuali rimorchi (su ruote)
Arti
Piede periodicamente in contatto con il suolo (locomozione)
Progetto ispirato a organismi viventi (robotica biomimetica)
Lo spazio di lavoro di un robot mobile è potenzialmente illimitato
La mobilità locale di un robot mobile non omnidirezionale è sempre ristretta
Il numero dei gradi di libertà del robot (numero dei moti istantanei ammissibili)
è inferiore al numero delle variabili di configurazione dello stesso
Manipolatore mobile
Introduzione alla Robotica
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Montaggio di un manipolatore su una base
mobile
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Destrezza del braccio articolato
Mobilità illimitata della base
Progetto complesso
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Bilanciamento statico e dinamico
Azionamento dei due sistemi
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Robotica industriale
Introduzione alla Robotica
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La robotica industriale è la disciplina che si interessa della progettazione,
del governo e delle applicazioni dei robot in ambito industriale
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I suoi prodotti hanno raggiunto lo stato di una tecnologia matura
Robot industriali operano in un ambiente strutturato
Primi robot industriali sviluppati alla confluenza di due tecnologie
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Macchine utensili a controllo numerico per la lavorazione automatica di
precisione
Teleoperatori per la manipolazione a distanza di materiali radioattivi
Caratteristiche
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versatilità di impiego, grazie all'impiego di utensili di natura diversa come organo
terminale del manipolatore
adattabilità a situazioni non note a priori, grazie all'utilizzo di sensori
precisione di posizionamento, grazie all'adozione di tecniche di controllo in
retroazione
ripetibilità di esecuzione, grazie alla programmabilità delle varie operazioni
Automazione
Introduzione alla Robotica
! 
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L automazione è una tecnologia il cui obiettivo è quello di sostituire la
macchina all uomo in un processo di produzione, non solo per quanto
riguarda l esecuzione delle operazioni materiali, ma anche per ciò che
concerne l elaborazione intelligente delle informazioni sullo stato del
processo
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Automazione rigida (produzione in serie di grossi volumi di manufatti di
caratteristiche costanti)
Automazione programmabile (produzione di piccoli e medi lotti di manufatti di
caratteristiche variabili)
Automazione flessibile (produzione di lotti variabili di manufatti diversi)
Robot industriale
Introduzione alla Robotica
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Macchina con elevate caratteristiche di versatilità e flessibilità
Un robot è una struttura meccanica multifunzionale e riprogrammabile
progettato per spostare materiali, parti, utensili o dispositivi specializzati
secondo movimenti variabili programmati per l esecuzione di una varietà
di compiti diversi (Robot Institute of America, 1980)
Componente tipico di sistemi di automazione programmabile
Installazioni di robot industriali
Introduzione alla Robotica
140.000
127
120.000
112
99
100.000
Unità
24/43
80.000
69
60.000
53
77
82
79
69
97
81
78
69
43
Rapporto IFR
40.000
20.000
0
1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
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Al 2006 risultano operativi nel mondo quasi un milione di robot industriali
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Metà in Asia
Un terzo in Europa
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60.000 unità in Italia: secondo posto dopo Germania, quarto nel mondo
16% in Nord America
1.200.000 unità entro la fine del 2010
Alcuni dati sui robot industriali
Introduzione alla Robotica
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Vita media di un robot industriale
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Densità di robot per numero di operai
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12 anni … potrebbe arrivare a 15 anni
349 robot ogni 10.000 operai in Giappone
187 in Corea
186 in Germania
123 in Italia
99 negli Stati Uniti
Costo medio di un robot a sei assi
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Da 20.000 a 60.000 € a seconda delle dimensioni e delle applicazioni
25/43
Industrie di riferimento
Introduzione alla Robotica
26/43
Parti automobilistiche
Veicoli a motore
Chimica, gomma e plastica
Elettrica ed elettronica
Lavorazione metallo
2005
2006
Macchinari
(industriali e consumo)
Alimentare
Comunicazioni
Precisione e ottica
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
Capacità di impiego
Introduzione alla Robotica
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Trasporto
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Palettizzazione (disposizione di oggetti in maniera preordinata su un opportuno
supporto raccoglitore)
Carico e scarico di magazzini
Carico e scarico di macchine operatrici e macchine utensili
Selezione e smistamento di parti
Confezionamento di merci
AGV
Capacità di impiego
Introduzione alla Robotica
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Misura
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Collaudo dimensionale
Rilevamento di profili
Individuazione di difetti di fabbricazione
Manipolazione (lavorazione/assemblaggio)
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Saldatura ad arco e a punti
Verniciatura a spruzzo
Fresatura e trapanatura
Incollaggio
Taglio laser e a getto d acqua
Finitura
Assemblaggio di gruppi meccanici ed elettrici
Montaggio di schede elettroniche
Avvitatura
Cablaggio
28/43
Impiego di robot industriali
Introduzione alla Robotica
29/43
Palettizzazione,
carico e scarico
Saldatura
Assemblaggio
2005
2006
Smistamento
Processo
Altre
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
16.000
18.000
Alcuni robot industriali
Introduzione alla Robotica
! 
Robot AdeptOne XL
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Struttura SCARA
Motori ad accoppiamento diretto
Sbraccio di 800 mm
Ripetibilità di 0.025 mm in direzione
orizzontale e 0.038 mm in quella verticale
Velocità max
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1200 mm/s per il giunto prismatico
Da 650 a 3330 °/s per i tre giunti rotoidali
Portata di 12 kg
Gamma di applicazioni
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Trasporto di piccole parti
Assemblaggio
Confezionamento
30/43
Alcuni robot industriali
Introduzione alla Robotica
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Robot COMAU Smart NS
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Struttura antropomorfa a sei giunti con
polso sferico
Sbraccio orizzontale da 1650 a 1850 mm
Ripetibilità di 0.05 mm
Velocità max
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Da 143 a 170 °/s per i primi tre giunti
Da 350 a 430 °/s per gli ultimi tre giunti
Portata da 12 a 16 kg
Montaggio a pavimento o a soffitto
Gamma di applicazioni
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Saldatura ad arco
Trasporto di materiali leggeri
Assemblaggio
Processi tecnologici
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Alcuni robot industriali
Introduzione alla Robotica
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Robot ABB IRB4400
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Struttura antropomorfa a sei giunti con catena
chiusa a parallelogramma
Sbraccio da 1960 a 2430 mm
Ripetibilità da 0.07 a 0.1 mm
Velocità max all’organo terminale di 2200 mm/s
Portata di 60 kg
Montaggio a pavimento o a parete
Gamma di applicazioni
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Trasporto di materiali
Carico e scarico di macchine
Molatura
Incollaggio
Pressatura
Stampaggio
Assemblaggio
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Alcuni robot industriali
Introduzione alla Robotica
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Robot KUKA KR 60 Jet
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Struttura a cinque assi, montato su slitta con installazione a portale
Corsa dell’unità lineare da 400 mm a 20 m
Velocità max di 3200 mm/s
Sbraccio del robot di 820 mm
Ripetibilità di 0.15 mm
Velocità max
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Da 120 a 166 °/s per i primi due giunti
Da 260 a 322 °/s per gli ultimi tre giunti
Gamma di applicazioni
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Carico e scarico di macchine
Finitura
Rivestimento
Sigillatura
Taglio
33/43
Alcuni robot industriali
Introduzione alla Robotica
! 
Robot ABB IRB340 FlexPicker
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Geometria parallela a quattro assi
Peso ridotto e montaggio dall’alto
Valori record di velocità di 10 m/s e
accelerazione di 100 m/s2
Ripetibilità di 0.1 mm
Carico di 1 kg
Versione pulita in alluminio
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industria alimentare
industria farmaceutica
34/43
Alcuni robot industriali
Introduzione alla Robotica
! 
Robot Fanuc M-16iB
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Struttura antropomorfa a sei giunti con
polso sferico
Sbraccio orizzontale da 1667 a 1885 mm
Ripetibilità di 0.1 mm
Velocità max
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Portata da 10 a 20 kg
Sensori integrati nell’unita di governo
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da 165 a 175 °/s per i primi tre giunti
da 340 a 430 °/s per gli ultimi tre giunti
Sistema di guida basato su visione 3D
Sensore di forza a sei assi
Gamma di applicazioni
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Trasporto di oggetti arbitrariamente posizionati
Finitura
Incollaggio
Taglio a getto d’acqua
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Alcuni robot industriali
Introduzione alla Robotica
! 
Robot KUKA Lightweight
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Struttura a sette assi, presentato nel 2006
come il risultato di un trasferimento
tecnologico da DLR
Adozione di materiali in lega leggera e
sensori di coppia ai giunti
Sbraccio orizzontale di 868 mm
Velocità ai giunti da 110 a 210 °/s
Carico da 7 a 14 kg, a fronte di un peso di
soli 15 kg (!)
Ridondanza cinematica
Sicurezza intrinseca nel caso di contatto
con esseri umani
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Alcuni robot industriali
Introduzione alla Robotica
! 
Mano BarrettHand
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Un dito fisso e due dita mobili intorno alla
base del palmo
Manipolazione di oggetti di dimensione, forma
e orientamento diversi
Mano antropomorfa SAH
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Risultato di un trasferimento tecnologico da
DLR e Harbin Institute of Technology (Cina)
Tre dita indipendenti allineate e un dito
opponibile, analogo al pollice umano
Giunti delle dita dotati di sensori angolari a
effetto magnetico e sensori di coppia
Buona destrezza vicina alla mano umana
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Alcuni robot industriali
Introduzione alla Robotica
! 
Manipolatore umanoide Justin
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! 
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Torso a tre giunti assimilabile a
struttura antropomorfa
Due braccia a sette assi (tecnologia
LWR)
Testa sensorizzata
Compiti di manipolazione bimanuale
38/43
Robotica avanzata
Introduzione alla Robotica
! 
La robotica avanzata è la scienza che studia robot con spiccate
caratteristiche di autonomia che operano in ambienti non strutturati o
scarsamente strutturati, le cui caratteristiche geometriche o fisiche non
siano completamente note a priori
! 
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Ancora in età giovane: tecnologia non ancora matura, prevalentemente
prototipi
Robot per l’esplorazione
! 
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39/43
Necessità di ricorrere ad automi per indisponibilità dell’operatore umano
Motivi di sicurezza in ambienti ostili
Robot di servizio
! 
Prodotti con mercati potenziali di ampie dimensioni che puntano a migliorare la
qualità della vita
Robot per applicazioni non industriali
Introduzione alla Robotica
40/43
14.000
12.000
Sino al 2006
Nuove installazioni 2007−2010
10.000
Unità
8.000
6.000
4.000
2.000
0
Sottomarine
Difesa, soccorso, sicurezza
Pulizia
Ambienti ostili
Piattaforme mobili
Mediche
Altre
Logistica
Alcuni robot per l’esplorazione
Introduzione alla Robotica
! 
! 
Interventi in zone contaminate da gas velenosi o
sostanze radioattive
Interventi in scenari causati da disastri (attentati,
crolli, terremoti)
! 
Esplorazione di un vulcano
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Esplorazione sottomarina
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Esplorazione spaziale
! 
Pattugliamento aereo
41/43
Alcuni robot di servizio
Introduzione alla Robotica
! 
Mobilità dei cittadini (ITS)
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Sedie a rotelle autonome
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Domotica
! 
Robot per la chirurgia laparoscopica
! 
Robot per diagnostica e chirurgia
endoscopica
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Robot per la riabilitazione
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Robot umanoidi
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Robot zoomorfi
42/43
Verso il futuro
Introduzione alla Robotica
! 
Scenario a venire
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Robot che scompaiono
La tecnologia robotica diviene ubiqua,
distribuita e/o integrata in ambienti
intelligenti … proprio come i computer
che stanno diventando sempre più
pervasivi
Sogno o realtà?
43/43