L'ascesa dei robot a 7 gradi di libertà nell'industria

I robot sono diventati una parte fondamentale di molte industrie e applicazioni. Tra di loro, i robot a sette gradi di libertà (7-DOF) stanno attirando attenzione per la loro flessibilità in più. A differenza dei bracci robotici tipici che hanno sei movimenti, un robot 7-DOF ha un movimento extra che lo aiuta a svolgere compiti in modo più efficiente. Questo grado di libertà in più permette al robot di muoversi intorno agli ostacoli e di evitare posizioni scomode chiamate singolarità.

Per controllare correttamente un robot 7-DOF, gli operatori devono determinare gli angoli delle articolazioni del robot in base a ciò che vogliono che la mano, o l'effettore finale, faccia. Questo processo si chiama Cinematica Inversa. Risolvere la cinematica inversa per un braccio robotico comporta trovare tutti gli angoli delle articolazioni possibili che permettano al robot di ottenere la posizione e l'orientamento desiderati del suo effettore finale.

#I Vantaggi dei Robot 7-DOF

Il principale vantaggio di usare un robot 7-DOF rispetto a uno 6-DOF sta nella sua versatilità. Con un'articolazione in più, il robot può muoversi in un numero maggiore di posizioni. Questa flessibilità è particolarmente utile quando il robot deve lavorare in spazi ristretti o attorno a ostacoli.

Il grado di libertà aggiuntivo aiuta il robot a:

• Evitare collisioni con oggetti nel suo cammino.
• Ottimizzare il tempo necessario per completare un compito.
• Rimanere entro i limiti delle sue articolazioni per prevenire danni.
• Gestire meglio le forze che agiscono sulle sue articolazioni.

#Gradi di Libertà Ridondanti

In un robot 7-DOF, l'articolazione extra aggiunge ridondanza. Questo significa che per una data posizione dell'effettore finale, ci sono più modi per raggiungere quella posizione con le articolazioni. Anche se questa ridondanza è vantaggiosa, rende anche il controllo di tali robot più complesso. Gli operatori devono definire parametri aggiuntivi per specificare come dovrebbero muoversi le articolazioni del robot.

Un metodo comunemente usato per parametrare i movimenti di un robot 7-DOF è attraverso l'angolo spalla-gomito-polso (SEW). Questo angolo descrive la rotazione del gomito del robot attorno a una linea immaginaria che va dalla spalla al polso.

#Comprendere l'Angolo SEW

L'angolo SEW è uno strumento di visualizzazione utile. Permette agli operatori di pensare a come si muove il gomito rispetto alla spalla e al polso. Tuttavia, il modo convenzionale di definire questo angolo può portare a singolarità. Le singolarità si verificano quando le articolazioni del robot si allineano in un modo che impedisce di muoversi liberamente, causando movimenti grandi e indesiderati in altre articolazioni mentre il robot cerca di raggiungere il suo obiettivo.

Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo approccio chiamato angolo SEW generalizzato. Questo metodo mantiene gli aspetti intuitivi dell'angolo SEW mentre lo rende più robusto contro le singolarità.

#L'Angolo SEW Generalizzato

L'angolo SEW generalizzato si basa sulla definizione tradizionale e introduce una direzione di riferimento flessibile. Offrendo diversi modi per definire questa direzione, il nuovo approccio aiuta a ridurre le probabilità di incorrere in singolarità.

In pratica, l'angolo SEW generalizzato funziona in modo simile all'angolo SEW convenzionale. Questo significa che gli operatori possono ancora visualizzare i movimenti del robot allo stesso modo, beneficiando di un movimento più fluido e affidabile. Questo è particolarmente cruciale in applicazioni come la teleoperazione, dove gli operatori umani controllano il robot da lontano.

#L'Angolo SEW Stereografico

Un tipo specifico di angolo SEW generalizzato è l'angolo SEW stereografico. Questo approccio riduce ulteriormente l'occorrenza di singolarità. Nell'angolo SEW stereografico, la direzione di riferimento è scelta in modo tale che la singolarità si verifichi solo in una direzione invece che in due. Questo semplifica il controllo del robot da parte dell'operatore e lo rende più gestibile.

L'angolo SEW stereografico può essere visualizzato utilizzando concetti dalla geometria, in particolare la proiezione stereografica. Proiettando un campo vettoriale costante su una sfera, questo metodo mantiene un movimento fluido senza cambiamenti improvvisi, anche quando ci si avvicina alla singolarità.

#Soluzioni di Cinematica Inversa

Per risolvere la cinematica inversa per un robot 7-DOF, possono essere applicati vari metodi. Le soluzioni dipendono spesso dal design specifico del robot e dai parametri scelti.

Quando le articolazioni del robot sono disposte in un certo modo, conosciuto come famiglie cinematiche, possono essere derivate soluzioni in forma chiusa. Questo significa che per dati parametri, gli angoli delle articolazioni esatti possono essere calcolati direttamente senza troppi tentativi ed errori. Per altre configurazioni, potrebbe essere necessario cercare angoli delle articolazioni idonei.

#Esempi di Robot 7-DOF

Esistono diversi robot 7-DOF in pratica, che mostrano la versatilità di questo design. Questi includono bracci robotici specializzati utilizzati in ambienti industriali, operazioni spaziali e persino robot umanoidi.

Ad esempio, il Motoman SIA50D e il Sistema di Manipolazione Robotica della Stazione Spaziale sono entrambi esempi di robot 7-DOF. Sfruttano la loro articolazione in più per muoversi in ambienti complessi, aumentando la loro efficacia in vari compiti.

#Applicazioni dei Robot 7-DOF

I robot 7-DOF trovano applicazioni in numerosi campi. Nelle industrie, possono automatizzare processi di produzione, assistendo in compiti come assemblaggio, saldatura e verniciatura. Nell'ambito dell'esplorazione spaziale, questi robot possono essere usati per mantenere attrezzature o eseguire riparazioni mentre navigano nei vincoli di una navetta spaziale.

In contesti medici, i robot 7-DOF stanno emergendo come strumenti preziosi per la chirurgia, fornendo ai chirurghi una maggiore precisione durante le procedure. Allo stesso modo, possono aiutare nella riabilitazione, consentendo sessioni di terapia personalizzate per i pazienti che recuperano da infortuni.

#Affrontare le Sfide

Nonostante i loro vantaggi, controllare i robot 7-DOF presenta delle sfide. Gli operatori devono sviluppare una solida comprensione della cinematica inversa e essere formati per gestire efficacemente il robot. Questo può richiedere tempo e competenze significative, in particolare in applicazioni che richiedono elevati livelli di precisione.

Per aiutare a ridurre questo onere, i ricercatori continuano a lavorare per migliorare gli algoritmi per un controllo più semplice. Questi avanzamenti puntano a rendere i robot 7-DOF più facili da utilizzare, assicurando che gli operatori possano fare affidamento su di essi per portare a termine i compiti in modo efficiente.

#Conclusione

In sintesi, i robot 7-DOF rappresentano un avanzamento emozionante nella robotica. Il loro grado di libertà extra offre un livello di flessibilità che non si trova nei robot tradizionali 6-DOF. Attraverso varie tecniche di parametrizzazione, inclusi l'angolo SEW generalizzato e la sua variante stereografica, gli operatori possono controllare efficacemente questi robot e ottimizzare i loro movimenti. Man mano che le applicazioni per tali robot continuano a crescere, i progressi nel loro design e nei metodi di controllo porteranno probabilmente a breakthrough ancora più significativi nel campo.