Come evolvono gli end effector: compattezza, leggerezza e dinamicità

Gli end effector, noti anche come End-of-Arm Tooling (EOAT),sono dispositivi collegati all’estremità di un braccio robotico e utilizzati per fungere da polsi dei robot che interagiscono con l’ambiente.

Se negli ultimi anni i progressi nei bracci robotici industriali e collaborativi sono stati lenti e costanti, l’evoluzione degli end effector è stata più rapida. Ciò è stato in parte guidato dalla crescente domanda di manipolazione abile nelle operazioni di prelievo e posizionamento.
Così oggi gli end effector comprendono diversi tipi di attrezzature come pinze, ventose, morsetti, cambia utensili, sensori di collisione, giunti rotanti, attrezzature per presse, dispositivi di conformità, valvole di erogazione e pistole per saldatura ad arco.

La selezione dell’end effector dipende dalle applicazioni. I diversi tool sono infatti utilizzati dagli utenti di robot per consentire a un singolo robot di svolgere più attività modificando automaticamente gli end effector o altri strumenti periferici.

Le ultime evoluzioni degli end effector

I recenti progressi hanno permesso di avere la canalizzazione interna per consentire il passaggio dei cavi e della pneumatica attraverso l’unità, adattandosi ai nuovi polsi cavi del robot. Alcuni sensori di collisione robotizzati (dispositivi breakaway) prevengono i danni agli end effector causati da eventuali urti o incidenti che può subire il robot. Le loro caratteristiche possono includere il ripristino automatico, l’elevata ripetibilità, le grandi rotazioni e il design robusto.

Per compensare eventuali errori di posizionamento dovuti a imprecisione del robot, vibrazione o tolleranza della macchina si usano dispositivi di conformità.
Si ottiene così una riduzione delle forze di contatto e si evitano danni a parti e utensili.

L’importanza della compattezza

Affinché un end effector sia abile come una mano umana deve avere più gradi di libertà nei movimenti. Questo richiede che nelle dita e nei palmi delle mani siano posizionati molti meccanismi attuatori.

Va però ricordato che la miniaturizzazione è un fattore importante, poiché azioni come l’uso degli strumenti richiedono che la mano abbia dimensioni compatibili con quella di un essere umano.

Al fine di impostare il meccanismo dell’attuatore nel piccolo spazio all’interno di un dito del robot, il micromotore completo di riduttore planetario è collegato a una puleggia in serie che comanda le cinque dita.Le dita sono progettate per piegarsi ed estendersi mentre i movimenti del micromotore si trasferiscono attraverso la puleggia ed i 5 cavi collegati, consentendo così di ridimensionare la mano del robot.

Sistemi di bloccaggio della presa in assenza di corrente

Attualmente, le mani dei robot richiedono una corrente costante elevata per mantenere la presa sugli oggetti. Esistono però sistemi, che, installati in ciascuna articolazione della mano, consentono alle dita di mantenere la posizione dopo lo spegnimento dell’alimentazione di corrente. Questa funzione di blocco aiuta a ridurre al minimo il consumo di energia e la generazione di calore dei rotori. Inoltre, nel caso di un blackout improvviso, di un guasto a un cavo di trasmissione o di un problema di batteria, la mano può ancora trattenere gli oggetti senza elettricità, permettendo di avere affidabilità assoluta.

Sostituti dell’uomo. Due esempi: situazioni pericolose e robot chirurgici

L’end effector è progettato per interagire con l’ambiente. Mentre la natura esatta di questo dispositivo è funzione dell’uso del robot, l’effettore di solito è legato all’ultimo anello del braccio del robot stesso. Si tratta essenzialmente delle strong>dita o, più precisamente, dell’articolazione del polso. Le pinze meccaniche possono essere composte da due, tre o anche cinque dita.

È evidente che gli end effector siano strumenti che possono essere impiegati per vari scopi e anche in situazioni in cui le condizioni di lavoro sono pericolose per l’uomo. Un esempio di applicazione pratica è rappresentato dai robot per la prevenzione delle catastrofi, progettati per funzionare all’esterno utilizzando una batteria come fonte di alimentazione principale. L’impiego di micromotori a basso consumo energetico consente di prolungare il periodo di funzionamento dell’intero sistema. In più, avere una funzione di blocco, che permette al robot di mantenere la presa su un oggetto anche se l’alimentazione è interrotta, contribuisce alla “tenacità” del robot in situazioni di emergenza.

Esistono anche end effector appositamente realizzati per scopi medici che sono montati sui robot chirurgici.

La dinamicità e destrezza, la percezione e il controllo della forza dei sistemi robotici sono in continua evoluzione, come esemplificato dalla disponibilità di pinze multi dito e tattili, dalla capacità di identificazione e localizzazione casuale delle parti e dalla ricerca finalizzata ad attività avanzate come l’assemblaggio di pezzi durante il movimento.

Mano robotiche universali

La flessibilità degli effettori finali per gestire una vasta gamma di oggetti senza la riconfigurazione meccanica del
manipolatore
ha portato all’uso di mano robotiche universali. Queste mani universali, sviluppate per imitare più tecniche di presa umana, richiedono meccanismi e algoritmi di controllo molto complessi.

Presa singola, a due o tre dita

Gli end effector più economici, progettati utilizzando una tecnica a presa singola per gestire oggetti di peso, forma e materiale variabili, sono spesso definiti pinze. Le pinze sono in genere progettate con due dita e con un singolo grado di libertà (in inglese DOF, Degree Of Freedom). Utilizzano inoltre vari meccanismi cinematici e ganasce specializzate per la pretensione di un particolare oggetto o famiglia di oggetti. A volte, le pinze possono incorporare tre dita per afferrare la geometria degli oggetti senza la necessità di ganasce specializzate (per esempio oggetti con strutture cilindriche). Gli end effector con dita a forma fissa utilizzati per l’assemblaggio possono manipolare e trattenere una varietà di parti con forma tonda, quadrata e flessibile (tubi, cavi o parti conformi). La pinza è progettata per garantire che la parte che trattiene non possa traslare o ruotare rispetto alla pinza stessa (è vincolata in tutti e sei i gradi di libertà).

Come funziona la presa

Per trattenere le parti, le pinze in genere sfruttano l’attrito, un vincolo fisico, ’attrazione magnetica o il supporto. È stata realizzata una varietà di pinze per usi speciali che sono progettate per raccogliere con precisione parti singole o multiple.

Ci sono poi diverse pinze a ventosa con forma ovale o rotonda e dimensioni che possono variare da 12,7 mm (0,5 pollici) a 101,6 mm (4 pollici) di diametro. Possono essere realizzate in fluoroelastomero Viton, silicone, altre gomme o poliuretano.

Le ventose agiscono in genere in tre modi: anteriormente o lateralmente sulla parte oppure su un angolo. Per gli innesti laterali, i cilindri
pneumatici a corsa breve fanno avanzare le ventose per afferrare la parte dopo che il telaio su cui sono installate le ventose stesse si è spostato in posizione. Per un rapido prelievo e posizionamento delle parti o per cicli veloci, i bracci a molla consentono alle ventose di essere in posizione prima dell’espulsione e quindi accettare la parte come un guanto accetta una palla da baseball. I profili del braccio a forma esagonale impediranno alle pinze di ruotare quando il loro orientamento è verso la parte che deve rimanere fissa.

Per raccogliere e rilasciare parti ferromagnetiche vengono utilizzati i dispositivi elettromagnetici e a magneti permanenti. I magneti passivi vengono invece generalmente impiegati come elemento di altre tecnologie di presa. Le pinze di tipo elettromagnetico ottengono una forza attrattiva solo quando viene applicata corrente all’unità.

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