Analisi delle tolleranze del sistema di sterzatura di un robot mobile e progetto di un sistema smontaggio batterie per robot mobile

Master in Ricerca Industriale – V ed.                                                                                           Giuseppe Fidelibus Sommario Il mondo dell'automazione industriale è alla continua ricerca di soluzioni per 
diminuire i costi di produzione e stoccaggio. La robotica, in questi ultimi anni, ha 
fornito una grande fonte di miglioramento sia nella produzione di componenti, sia nelle 
operazioni che non sono strettamente legate alla realizzazione del pezzo come, ad 
esempio, la movimentazione e lo stoccaggio dei materiali all'interno di magazzini.
Dotarsi di uno strumento che possa effettuare automaticamente svariati compiti 
con continuità e velocità significa abbattere i tempi di produzione e stoccaggio: per 
questo motivo numerose aziende hanno come obiettivo lo sviluppo di sistemi quanto 
più automatizzati.
All'interno del vasto mondo della robotica si ritaglia un importante spazio la 
robotica mobile : robot capaci di muoversi in modo più o meno autonomo, all'interno di 
uno spazio definito, che possono servirsi di svariate tecnologie per svolgere il proprio 
compito a livelli quanto più performanti.
In questo lavoro si è trattato il tema della robotica mobile, soffermandosi solo su 
alcune delle numerose problematiche che investono questo mondo, partendo, però, 
sempre da casi pratici e da problemi realmente occorsi.
In prima istanza, si è effettuato un rapido excursus sul mondo della robotica, 
iniziando dalla cinematica dei robot mobili e descrivendo sommariamente le varie 
tipologie di basi mobili. Successivamente si è passati a descrivere alcuni esempi di 
robot mobili in commercio che possano rappresentare per grandi linee la storia 
dell'arte. Si potrà notare come questo vasto mondo abbia applicazioni in 
numerosissimi settori: dall'industria manifatturiera, a quella militare, fino ad 
applicazioni ospedaliere.
Dopo questa introduzione di tipo generale, si è passati a considerare un esempio 
pratico, in cui è possibile apprezzare come un aspetto che spesso viene sottovalutato, 
ovvero quello delle tolleranze di lavorazione, risulta di rilevante importanza anche e 
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Master in Ricerca Industriale – V ed.                                                                                           Giuseppe Fidelibus soprattutto quando si parla di robot mobili. Nel caso specifico, si è considerato il 
sistema motoruota che fornisce la direzionalità alla singola ruota di un robot mobile: si 
è partiti da un problema riscontrato durante la variazione di traiettoria e si è verificato, 
attraverso lo studio di una catena di tolleranze, se le tolleranze indicate su disegno 
fossero troppo “larghe” e quindi fossero causa del malfunzionamento. Lo studio è 
stato effettuato in modo “deterministico” attraverso l'analisi Worst Case e in modo 
statistico, servendosi del software Minitab ® . È stato anche analizzato il modulo di 
Pro/ENGINEER studiato per lo studio deterministico e statistico delle tolleranze, il 
Tolerance Analysis Extension , che si è dimostrata un'applicazione molto potente, ma 
inadatta al caso specifico.
Un altro problema affrontato che riguarda la robotica mobile è stato quello della 
ricarica delle batterie. I robot mobili devono servirsi di batterie per la trazione e 
l'alimentazione degli organi ausiliari. Questo significa che le loro batterie devono 
essere o ricaricate (quindi il robot è costretto a fermarsi) oppure sostituite con delle 
batterie precedentemente ricaricate (quindi evitando di fermare l'attività del robot). 
Nel caso esaminato, che riguarda un robot per l'automazione industriale, non è 
possibile pensare di bloccare l'attività del robot stesso, per cui è stata presa in 
considerazione la possibilità di cambiare, in tempi minimi, le batterie, sostituendole 
con altre già cariche. In quest'ottica, si è progettato un sistema semi-automatizzato 
semplice, economico e flessibile per la sostituzione del pacco batterie di un 
determinato robot mobile. Come si vedrà nel prosieguo della trattazione, le difficoltà 
principali derivano dalla necessità di centrare il sistema rispetto al robot mobile, che, 
per forza di cose, sarà affetto da errori di posizionamento all'interno dell'eventuale 
stazione di ricarica. Saranno descritti sia un modello di partenza, che presenta 
sommariamente le funzionalità del sistema e, successivamente, un modello finale 
comprensivo di tutte le modifiche e i miglioramenti apportati. Una parte della 
trattazione sarà anche dedicata alla sensoristica, fondamentale per l'automatizzazione. 
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su ruote 1 INTRODUZIONE
In questo capitolo, ci si propone di fare il punto sullo stato dell’arte nella 
navigazione di Robot su ruote (Wheeled Mobile Robot – WMR), utilizzati per usi 
industriali ed affini.
La nascita dei primi robot risale agli anni ’50: la tecnologia fu sviluppata per la 
prima volta da Barret Electronics , per Grand Rapids , Michigan.
Malgrado le grandi potenzialità subito dimostrate, le resistenze sindacali di allora 
furono tali da rallentarne lo sviluppo, ma attorno agli anni ’70 la tecnologia arrivò 
anche in Europa e, da allora, il mercato riprese a crescere.
In questo ultimo ventennio, i paesi industrializzati stanno facendo ingenti 
investimenti finanziari, per ricerca ed impiantistica, su sistemi di trasporto 
completamente automatizzati.
Sono molti i motivi che spingono in tale direzione:
1.la riduzione dei costi di logistica
2.la riduzione del personale impiegato 3.la necessità di movimentare con delicatezza (ad es. materiali fragili)
4.la possibilità di compiere trasporti in ambienti pericolosi oppure ostili 5.la possibilità di movimentare materiali in percorsi misti Indoor–Outdoor 6.l’apertura di nuove frontiere quali il trasporto di ammalati o la sicurezza 
collettiva e personale.
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strutturati, meglio nota come AGV (Automated Guided Vehicle), ma anche LGV nel 
caso di guida laser, UGV (Unmanned Ground Vehicle) oppure SGV (Self Guided 
Vehicle), spazia dai robottini che compiono trasporti per microelettronica, alle grandi 
macchine che trasportano decine di tonnellate alla volta (ad esempio i prodotti di un 
laminatoio o di una cartiera).
In questo ventennio, oltre alle macchine, anche i sistemi di navigazione si sono 
molto evoluti.
I primi AGV erano molto simili a navette. I percorsi erano fissi e difficilmente 
modificabili. Tale tecnologia è nota come “FIXED PATH”.
A metà degli anni ’90 sono stati introdotti sistemi di navigazione più flessibili 
definiti “OPEN PATH” .Questi ultimi consentono più percorsi tra “ORIGINE” e 
“DESTINAZIONE” (anche infiniti), tramite decisioni prese in tempo reale in base alle 
condizione del percorso, degli ostacoli, del traffico.
Pur essendo le applicazioni le più diversificate, anche in questo caso si possono 
identificare dei settori di maggiore interesse e diffusione:
1.Distribuzione e stoccaggio 2.Linee di montaggio 3.Linee di raccolta e spedizione 4.Trasporto di parti complesse 5.Trasporto di materiali pericolosi 6.Trasporto di materiali chimici 7.Convogli per lunghe distanze 8.Sistemi di consegna postale 7
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 2.1 INTRODUZIONE
I robot mobili su ruote, a seconda del loro grado di mobilità, possono essere 
suddivisi in due categorie:
1) Robot con mobilità localmente ristretta
2) Robot con piena mobilità Nel primo caso avremo robot che presentano dei vincoli anolonomi , nel secondo 
caso invece parleremo di robot omnidirezionali.
Per robot mobile su ruote non olonomo s’intende un veicolo che non può muoversi 
in tutte le direzioni. Un modello cinematico che approssima la mobilità di un 
automobile viene definito carlike. Da qui la natura nonolonomica del car-like, 
assumendo che le ruote girino senza slittamenti.
Per il veicolo olonomo c’è invece la piena mobilità.
Si definisce allora:
• Sistema olonomo : quando le equazioni che lo descrivono, che possono anche 
contenere le derivate rispetto al tempo delle coordinate, possono essere 
comunque trasformate in equazioni che contengono le coordinate stesse. Tali 
equazioni possono quindi essere integrate.
• Sistema nonolonomo  : quando le equazioni non possono essere integrate. La 
caratteristica è che il numero delle variabili di stato eccede il numero dei gradi 
di libertà di un numero pari alle equazioni di vincolo non integrabili. Poiché nel 
campo della robotica su ruote, sia in ambito industriale che non, avremo a che 
fare con entrambi i casi, vedremo come è possibile ricondurre tutti i tipi, purché 
formati da un solo corpo, in 5 possibili “classi” cinematiche .
L’ambiente operativo dei veicoli, nel caso di ambienti strutturati e semi-strutturati è 
normalmente situato all’interno ed è su 2D. Questo perché la struttura dell’interno è 
nota e la mappa può essere residente nel robot oppure acquisita dai sensori. 
Nel caso di ambienti non strutturati, l’ambiente operativo è tipicamente situato 
all’esterno e può essere su 3D.
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Il problema è quello di far viaggiare un veicolo robot, da una posizione di START, 
sino al raggiungimento di una posizione GOAL.
La complessità computazionale è elevata e, poiché l’ambiente è dinamico, il veicolo 
dovrà evitare sia gli ostacoli statici che quelli dinamici, in un contesto quasi sempre 
ristretto.
Il problema del raggiungimento del GOAL può essere realizzato in compiti 
elementari così definiti:
- moto punto-punto (nello spazio delle configurazioni)
- inseguimento di cammini (path following)
- inseguimento di traiettorie (trajectory tracking)
- moto puramente reattivo.
 2.2.1 PUNTO PUNTO
Il robot deve raggiungere la configurazione desiderata di GOAL, partendo da una 
data configurazione iniziale.
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Fig. 2.2.1: Metodi di raggiungimento del GOAL