Quali sono i fattori chiave utilizzati per classificare i robot industriali?

Milioni di robot industriali lavorano nelle fabbriche di tutto il mondo già predisposte per l'Impresa 4.0. Sono utilizzati per aumentare i tassi di produzione, migliorare la qualità, ridurre i costi e supportare operazioni più flessibili e sostenibili. Data l'importanza dei robot industriali, l'Organizzazione Normativa Internazionale (ISO) ha sviluppato lo standard 8373:2021, Vocabolario di robotica, per definire i termini utilizzati nella robotica e fornire un linguaggio comune per discutere i molti tipi di robot e le loro applicazioni.

La Federazione Internazionale dei Robot (IFR) ha utilizzato i termini chiave definiti nella norma ISO 8373:2021 per identificare sei classi di robot in base alla loro struttura meccanica, tra cui:

• Articolato
• Cartesiano
• Cilindrico
• Parallelo/Delta
• Polare
• SCARA

Questo articolo affronta la norma ISO 8373:2021, esamina i quattro termini chiave che definiscono un robot, si concentra sulla necessità di riprogrammazione e sui tipi e numeri di giunti robotici utilizzati dall'IFR per sviluppare le classificazioni dei robot. Il documento approfondisce poi i dettagli e le sfumature di ciascuna classificazione e presenta robot esemplari di diversi produttori. Lungo il percorso, esamina anche i sistemi chiamati robot che non soddisfano tutti i requisiti ISO.

La norma ISO 8373:2021 definisce il robot industriale come un "manipolatore multifunzionale, riprogrammabile e a controllo automatico, programmabile su tre o più assi, che può essere fisso in posizione o fissato a una piattaforma mobile per essere utilizzato in applicazioni di automazione in un ambiente industriale".

La riprogrammazione è un elemento di differenziazione cruciale. Alcune macchine industriali possono essere dotate di manipolatori e muoversi su più assi in grado di gestire compiti specifici, come il prelievo di bottiglie su una linea di riempimento bevande e il loro posizionamento in una scatola. Ma non è un robot se è dedicato a quell'unico scopo e non è riprogrammabile. La definizione di "riprogrammabile" contenuta nella norma ISO 8373 si riferisce a un robot "progettato in modo che i movimenti programmati o le funzioni ausiliarie possano essere modificati senza alterazioni fisiche".

Tipi e numeri di giunti del robot

La norma ISO 8373 definisce due tipi di giunti per i robot:

• Il giunto prismatico, o giunto scorrevole, è un gruppo tra due maglie che consente a una di esse di avere un movimento lineare rispetto all'altra.
• Il giunto rotante è un gruppo che collega due maglie e che consente a una di esse di ruotare rispetto all'altra intorno a un asse fisso.

L'IFR ha utilizzato queste e altre definizioni contenute nella norma ISO 8373 per identificare sei classi di robot industriali in base alla loro struttura o topologia meccanica. Inoltre, le diverse topologie di robot hanno un numero diverso di assi e, quindi, di giunti.

Il numero di assi è una caratteristica fondamentale dei robot industriali. Il numero di assi e il loro tipo determinano il raggio di movimento del robot. Ogni asse rappresenta un movimento o un grado di libertà indipendente. Un maggior numero di gradi di libertà consente al robot di muoversi in spazi più ampi e complessi. Alcuni tipi di robot hanno un numero fisso di gradi di libertà, mentre altri possono avere un numero variabile di gradi di libertà.

Gli effettori terminali, chiamati anche utensili di fine braccio (EOAT) o "manipolatori multiuso" nella norma ISO 8373, sono un altro elemento importante nella maggior parte dei robot. Esiste un'ampia gamma di dispositivi di presa, tra cui pinze, strumenti di processo dedicati come avvitatori, spruzzatori di vernice o saldatori e sensori, tra cui telecamere. Possono essere pneumatici, elettrici o idraulici. Alcuni effettori finali possono ruotare, offrendo al robot un ulteriore grado di libertà.

Le sezioni seguenti iniziano con la definizione di IFR per ciascuna topologia di robot e poi esaminano le loro capacità e applicazioni.

I robot articolati hanno tre o più giunti rotanti.

Si tratta di una grande classe di robot. I robot articolati possono avere dieci o più assi, ma sei sono i più comuni. I robot a sei assi possono muoversi sui piani x, y e z e compiere rotazioni di beccheggio, rollio e imbardata, consentendo di imitare il movimento di un braccio umano.

Sono inoltre disponibili in un ampio intervallo di capacità di carico utile, da meno di 1 kg a oltre 200 kg. Anche le capacità di portata di questi robot variano notevolmente, da meno di un metro a diversi metri. Ad esempio, il robot KR 10 R1100-2 di KUKA è un robot articolato a sei assi con uno sbraccio massimo di 1.101 mm, un carico utile massimo di 10,9 kg e una ripetibilità di posa di ±0,02 mm (Figura 1). Inoltre, presenta movimenti ad alta velocità, tempi di ciclo brevi e un sistema di alimentazione integrato.

Figura 1: Robot articolato a sei assi con una ripetibilità di posa di ±0,02 mm. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

I robot articolati possono essere montati in modo permanente sul pavimento, a parete o a soffitto. Possono anche essere montati su binari a terra o sospesi (aerei), sopra un robot mobile autonomo o un'altra piattaforma mobile e spostati tra le postazioni di lavoro.

Sono utilizzati per varie attività, tra cui la movimentazione dei materiali, la saldatura, la verniciatura e l'ispezione. I robot articolati sono la topologia più comune per l'implementazione di robot collaborativi (cobot) progettati per lavorare a fianco degli esseri umani. Mentre un robot convenzionale opera in una gabbia di sicurezza con barriere di protezione, un cobot è progettato per la stretta interazione con le persone. Ad esempio, il cobot LXMRL12S0000 di Schneider Electric ha uno sbraccio massimo di 1.327 mm, un carico utile massimo di 12 kg e una ripetibilità di posa di ±0,03 mm. I cobot sono spesso dotati di protezione anticollisione, bordi smussati, limiti di forza e peso ridotto per una maggiore sicurezza.

Il robot cartesiano (talvolta chiamato robot rettangolare, robot lineare o robot a cavalletto) ha un manipolatore con tre giunti prismatici i cui assi formano un sistema di coordinate cartesiane.

I robot cartesiani modificati sono disponibili con due giunti prismatici. Tuttavia, non soddisfano il requisito ISO 8373 secondo cui devono essere "programmabili su tre o più assi" e quindi non sono tecnicamente dei robot.

Esiste più di un modo per configurare tre giunti prismatici e, quindi, più di un modo per configurare un robot cartesiano. In una topologia cartesiana di base, tutti e tre i giunti sono ad angolo retto, con uno che si muove sull'asse x, fissato a un secondo che si muove sull'asse y, fissato a un terzo che si muove sull'asse z.

Sebbene sia spesso usato come sinonimo di robot cartesiano, la topologia a cavalletto non è identica. Come nel caso di un robot cartesiano di base, i robot a cavalletto supportano movimenti lineari nello spazio tridimensionale. Ma i robot a cavalletto sono configurati con due guide di base per l'asse x, una guida per l'asse y supportata che si estende sui due assi x e un asse z a sbalzo collegato all'asse y. Ad esempio, il robot DLE-RG-0012-AC-800-800-500 di Igus è un robot a cavalletto con un'area di lavoro di 800 x 800 x 500 mm che può trasportare fino a 5 kg e muoversi fino a 1,0 m/s con una ripetibilità di ±0,5 mm (Figura 2).

Figura 2: Robot a cavalletto con uno spazio di lavoro di 800 x 800 x 500 mm. (Immagine per gentile concessione di Igus)

Il robot cilindrico ha un manipolatore con almeno un giunto rotante e almeno un giunto prismatico, i cui assi formano un sistema di coordinate cilindriche.

I robot cilindrici sono relativamente semplici e compatti e il loro limitato raggio di movimento li rende facili da programmare. Sono meno comuni dei loro cugini più complessi. Tuttavia, sono particolarmente adatti per applicazioni come i processi di rettifica, la pallettizzazione, la saldatura (in particolare quella a punti) e la movimentazione dei materiali, ad esempio il carico e lo scarico di wafer di semiconduttori in cassette nella fabbricazione di circuiti integrati (Figura 3).

Figura 3: Questo robot cilindrico ha un giunto rotante e uno prismatico. (Immagine per gentile concessione dell'Association for Advancing Automation)

I robot cilindrici si muovono in genere a velocità comprese tra 1 e 10 m/s e possono essere progettati per trasportare carichi pesanti. I robot cilindrici trovano applicazione nei settori automotive, farmaceutico, trasformazione alimentare, aerospaziale, elettronico e molti altri.

Il robot parallelo/delta è un manipolatore i cui bracci hanno maglie che formano una struttura ad anello chiuso.

Mentre altri robot, come quelli a topologia cilindrica o cartesiana, prendono il nome dal loro movimento, il robot delta prende il nome dalla sua forma a triangolo rovesciato. I robot delta hanno da 2 a 6 assi, ma i modelli a 2 e 3 assi sono i più comuni. Come i robot cartesiani a 2 assi, i robot delta a 2 assi non soddisfano tecnicamente i requisiti della norma ISO 8373 per essere definiti veri e propri robot.

I robot delta sono progettati per la velocità e non per la forza. Sono montati sopra l'area di lavoro e svolgono funzioni di pick-and-place, smistamento, smontaggio e imballaggio. Spesso si trovano sopra un trasportatore e spostano i pezzi lungo una linea di produzione. La pinza è collegata a lunghi e sottili leveraggi meccanici. Questi sono collegati a tre o quattro grandi motori alla base del robot. L'altra estremità dei leveraggi è fissata a una piastra portautensili a cui si aggancia l'EOAT.

RBTX-IGUS-0047 di Igus è un esempio di robot delta a 3 assi. Opera in uno spazio di lavoro di 660 mm e può gestire un carico massimo di 5 kg. Quando gestisce un carico di 0,5 kg, può eseguire 30 prelievi al minuto con una velocità massima di 0,7 m/s e un'accelerazione di 2 m/s². Ha una ripetibilità di ±0,5 mm (Figura 4).

Figura 4: Robot delta a tre assi e controller (a sinistra). (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il robot polare (robot sferico) è un manipolatore con due giunti rotanti e un giunto prismatico, i cui assi formano un sistema di coordinate polari.

Uno dei giunti rotanti consente al robot polare di ruotare attorno all'asse verticale che si estende dalla base. Il secondo giunto rotante è perpendicolare al primo e consente al braccio robotico di oscillare verso l'alto e verso il basso. Infine, il giunto prismatico consente al braccio robotico di estendersi o ritrarsi dall'asse verticale.

Pur essendo di semplice costruzione, i robot polari presentano degli svantaggi che ne limitano l'uso rispetto ad altre topologie come i robot articolati, cartesiani e SCARA:

• il sistema di coordinate sferiche rende più complessa la programmazione.
• In genere hanno una capacità di carico utile più limitata rispetto ad altri tipi di robot
• e sono più lenti di altri robot.

I principali vantaggi dei robot polari sono l'ampia area di lavoro e l'elevata precisione. Sono utilizzati per la manutenzione di macchine utensili, le operazioni di assemblaggio, la movimentazione dei materiali nelle catene di montaggio automotive e la saldatura a gas e ad arco.

Il robot SCARA (acronimo inglese a indicare un "braccio robotico di assemblaggio a conformità selettiva") è un manipolatore dotato di due giunti rotanti paralleli per garantire la conformità in un piano selezionato.

Un robot SCARA di base ha tre gradi di libertà, il terzo dei quali è costituito da un effettore terminale rotante. I robot SCARA sono disponibili anche con un giunto rotante aggiuntivo per un totale di quattro gradi di libertà, per movimenti più complessi.

I robot SCARA sono spesso utilizzati in applicazioni di pick-and-place o assemblaggio in cui sono richieste velocità e precisione elevate. Ad esempio, M1-PRO di Dobot è un robot SCARA a 4 assi con un raggio di lavoro di 400 mm, un carico utile massimo di 1,5 kg e una ripetibilità di ±0,02 mm. È dotato di rilevamento delle collisioni senza sensori e di programmazione, che lo rendono adatto all'uso come cobot e come robot autonomo (Figura 5).

Figura 5: Robot SCARA a quattro assi con una ripetibilità di ±0,02 mm. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Conclusione

Tutti i robot industriali soddisfano il requisito ISO 8373 di essere controllati automaticamente con un manipolatore multiuso riprogrammabile. Tuttavia, non tutti hanno un numero definito di assi per una determinata topologia. I robot delta e cartesiani sono disponibili con un numero di assi inferiore a quello definito, mentre alcuni robot SCARA hanno più assi di quelli definiti dall'IFR.