2.2
Componenti principali
Il robot si compone di:
Figura 2.6: Piattaforma di base Piattaforma di base: una base fissa che pog-
gia a terra tramite tre piedini regolabili in al- tezza, che fornisce un ancoraggio solido per tutti i componenti a terra, ovvero gruppi mo- tore, stadi esterni di riduzione, elettronica di collegamento tra i motori. La piattaforma è protetta nella parte inferiore da una rete me- tallica che impedisce di accedere dal fondo allo spazio di lavoro del robot e agli organi in mo- vimento.
Figura 2.7: Catena cinematica Catene cinematiche: tre ca-
tene identiche, ciascuna composta da tre giunti rotativi a 1 gdl e due link. Il primo giunto collega il pri- mo link al gruppo motore, montato sulla base fissa, ed è l’unico attua- to della catena; il secondo giunto collega i due link, mentre il terzo collega il secondo link alla piattafor- ma mobile. L’intero cinematismo è disegnato in modo che gli assi di rotazione di tutti i giunti del robot
passino per il centro del giunto sferico realizzato all’end-effector. Ogni link è ricavato attraverso fresatura a controllo numerico da un pieno di alluminio.
2.2. Componenti principali 23
Figura 2.8: Piattaforma mobile
Piattaforma mobile: parte del
robot alla quale sono collegati i tre giunti finali di ciascuna catena ci- nematica; è la parte che realizza effettivamente il risultato cinemati- co. A differenza di quanto può sembrare a prima vista, tale piat- taforma non forma un unico corpo rigido con il supporto per il pie- de.
Figura 2.9: Supporto piede
Supporto piede: la parte evi-
denziata in verde costituisce il cor- po rigido al quale vincoliamo il pie- de. Tale supporto e la piattaforma mobile, in grigio nella Fig. 2.9, so- no connessi unicamente attraverso una cella di carico, evidenziata in gial- lo.
Figura 2.10: Cella di cari- co ATI FT MI- NI45
Cella di carico: in giallo in Fig. 2.9, si tratta
di una cella a sei assi della ATI, modello FT MI-
NI45, in grado di rilevare tre componenti di coppia
e tre di forza sui rispettivi assi del proprio frame di base. Il principio sul quale si basa è quello del monolite attrezzato con rosette estensimetriche. Data la particolare collocazione di questo sensore, esso ci fornisce informazioni su tutti i carichi a monte della piattaforma mobile: peso e inerzia dovute al supporto piede e corpi a contatto con esso, forze e coppie esterne applicate attraverso il
supporto piede. Azioni motrici, pesi, inerzie, carichi esterni applicati ai link ed effetti dovuti all’attrito ai giunti non influenzano tale lettura poichè agiscono a valle del sensore.
2.2. Componenti principali 24
Figura 2.11: Motore vista poste- riore
Figura 2.12: Motore vista anterio- re
Motori: Ciascuno dei tre motori, evi-
denziato in bronzo in Fig.2.11,2.12, è un bru- shless della Harminc-Drive, modello FHA- 14C-100-D200-EM1. Questa lunga sigla rac- chiude molte delle caratteristiche tecniche del servo motore: FHA-C identifica la serie dei mini servo motori; 14 identifica la ta- glia dell’albero motore; 1/100 rappresenta il rapporto di riduzione del riduttore tipo Harmonic-Drive incorporato all’azionamen- to; D200 fornisce le specifiche dell’encoder, nel nostro caso un incrementale a 3 canali con codifica x4 con 2000 tacche per i due canali principali, che grazie all codifica rea- lizza 8000 pulse per giro. Dato che l’encoder si trova a valle del riduttore, il sensore rileva 800000 pulse per ogni giro completo dell’al- bero, ovvero una risoluzione sulla rotazione di 0.0028o. Tali pulse raddoppiano passan- do al link grazie ad un ulteriore stadio di riduzione. infine la E indentifica il tipo di
alimentazione, nel nostro caso un alimentatore fornisce al servomotore 24V DC. Ciascun motore è accoppiato ad un driver che funge da controllore, nel nostro caso sono impiegati tre Elmo-Gold-Solo-Whistle. Nei controllori sono implementate le logiche Elmo DSP che seguono il protocollo CANopen DSP402.
2.2. Componenti principali 25
Figura 2.13: Riduttore
secondario a
cinghia Riduttore secondario: Come si vede chia-
ramente dal modello, il primo link di ciascuna catena cinematica non è direttamente connes- so all’albero di uscita dell’harmonic-drive. Su questo è infatti montata una piccola puleggia, che connessa tramite cinghia ad una con nu- mero di denti doppio, realizza un ulteriore sta- dio di riduzione con rapporto 1/2. Il rap- porto di riduzione complessivo risulta quindi 1/200.
Figura 2.14: Potenziometro SoftPot
Figura 2.15: Wiper
Figura 2.16: Case del poten- ziometro Potenziometro: A valle del riduttore secon-
dario è collocato un sensore di posizione assoluto. Il sensore è posizionato sulla faccia del suppor- to motore rivolta verso la puleggia. Si tratta di un potenziometro tipo SoftPot composto di due parti fondamentali: una corona circolare, molto sottile e adesiva, collocata sul supporto motore, composta a sua volta da quattro strati, e un Wi-
per (Fig. 2.15). La parte del sensore in Fig.2.14 a
contatto con il supporto motore, è costituita da un adesivo; lo strato sovrastante è composto di mate- riale conduttore e costituisce il circuito resistore, sopra questo è posizionato uno strato isolante e cedevole disegnato per creare uno spessore ma senza coprire il circuito sottostante; su questo è appoggiato il circuito primario o collettore che costituisce l’interfaccia esterna del sensore. Il wi- per è una testina munita di tastatore precaricato attraverso una molla, nel nostro caso montato sulla faccia posteriore della puleggia, in modo ta- le da cadere sull’anello del circuito collettore. Il contatto e la pressione sono garantiti dalla molla. La pressione esercitata dalla testina deforma lo
2.2. Componenti principali 26
strato isolante intermedio facendo sì che circuito collettore e resistore entrino in contatto. Dato che il wiper ruota con la puleggia, ad ogni posizione di questa corrisponderà un diverso punto di contatto tra i circuiti, ovvero una porzione diversa di resistore. il circuito complessivo è quindi una resistenza, variabile con la posizione angolare, e misurando la caduta di tensione sul circuito siamo in grado di misurare la posizione assoluta dell’albero. L’anello non copre esattamente 360o per esigenze elettriche, il sensore però è montato in modo tale
che i 7o scoperti siano in una zona non raggiungibile a causa dei limiti sullo
spazio di lavoro del robot. In linea teorica questo sensore sarebbe in grado di fornire posizione e velocità assolute ma il rumore sulla misura è tale da non rendere conveniente questa scelta. Malgrado questo, tale sensore ha un ruolo importante degli algoritmi di sicurezza e di homing, e la sua uscita in tensione costituisce un ingresso analogico per il driver del motore.
Figura 2.17: Sensore di prossimità capacitivo
Sensore di prossimità: Sulla faccia
opposta del supporto motore, rispetto alla posizione del potenziometro, è posizionato un sensore di prossimità capacitivo. Esso è costituito da due bottoni cilindrici, uno innestato nella base fissa, l’altro montato su una estremità appositamente progettata del primo link. La parte solidale al link ruota con esso, spazzando una circonferenza lungo la quale incontra la seconda metà del sen- sore. Esiste un piccolo range di posizioni
angolari del link durante le quali le due metà del sensore sono almeno par- zialmente sovrapposte; quando questo avviente, il livello di tensione aumenta. La tensione è impiegata come trigger per realizzare un ingresso digitale. La posizione del sensore è studiata in modo tale che la perfetta sovrapposizione corrisponda alla posizione di homing, ovvero il nostro zero motore.
Elettronica di collegamento motori: A ciascun azionamento è connessa
una piccola stazione di collegamento. Essa è dotata di due porte ethercat, una porta usb e due led. La porta usb serve a collegarsi direttamente al singolo driver
2.2. Componenti principali 27
della Elmo. Attraverso il programma Elmo Application Studio, fornito dalla casa produttrice, è possibile accedere a tutte le informazioni relative al controllore, programmare input/output dell’azionamento, compatibilmente con i cablaggi effettuati, scrivere sezioni di codice aggiuntive per modificare il comportamento del driver, tarare e modificare gli anelli di controllo interni, analizzare dati e muovere il singolo motore con le modalità disponibili. Le porte etherchat servono alla comunicazione, tutti i motori sono collegati in serie formando un anello aperto, all’estremità del quale è connesso il dispositivo che ricopre il ruolo di master. Al protocollo di comunicazione EtherCAT sarà dedicata la sezione 2.3. Infine i due led forniscono informazioni sullo stato degli azionamenti: uno riguarda la comunicazione, rosso per comunicazione non aperta, verde fisso per connessione ethercat stabilita, verde intermittente trasmissione dati in corso; il secondo diventa verde quando ai motori è fornita potenza, rosso altrimenti.
Figura 2.18: Case di protezione Case e protezione in stoffa: A prote-
zione del cablaggio, dei motori e dei riduttori è collocato un guscio in plastica, progettato e stampato 3D presso ITIA. Questo oltre a proteggere gli organi meccanici ed elettro- nici da possibili danneggiamenti, aumenta notevolmente il livello di sicurezza impeden- do l’accesso dall’esterno. Inoltre fornisce l’alloggiamento per la presa di potenza. Tra case e piattaforma mobile è posizionata una copertura in licra. Questa è in grado di de-
formarsi, essendo elastica, e quindi seguire il movimento del robot, ma allo stesso tempo impedisce che materiale estraneo possa entrare nel robot.
Elettronica di sicurezza e controllo: Infine l’elettronica esterna al robot,
raccolta in un quadro protetto. Qui sono collegati tutti i dispositivi di sicurezza quali interruttori, fusibili e due funghi di arresto, un pc embedded sul quale è installato e viene eseguito tutto il controllo, il modulo di conversione A/D EK1100 della Beckhoff e un amplificatore per il segnale in mV proveniente dalla cella di carico.