Scegliere il sensore di forza/coppia dei robot: integrato o autonomo?

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Di Klajd Lika, CEO, Bota Systems 

I sensori di forza/coppia stanno acquisentdo sempre più popolarità nelle applicazioni robotiche – la tendenza è ormai evidente. A fare la differenza è l’impiego diffuso dei robot in contesti eterogenei, dove sono chiamati a svolgere compiti sempre più complessi e impegnativi, in collaborazione con gli operatori umani.

I produttori di robot spesso integrano un sensore di forza/coppia nel robot come dotazione standard oppure come optional. Sebbene questo sia più che sufficiente per le applicazioni più comuni, come le attività di pick-and-place, un sensore di forza/coppia “stand-alone” autonomo offre una precisione e una flessibilità superiori per gli utilizzi più impegnativi e sofisticati.

Oggi, i sensori integrati costituiscono una parte fondamentale dei robot. Ciò implica che il loro costo sia notevolmente inferiore a quello dei sensori autonomi specializzati, e spesso questo si traduce in una qualità inferiore. Dato che i sensori integrati non sono precisi come quelli autonomi, richiedono filtri e algoritmi software aggiuntivi per raggiungere la precisione richiesta, il che naturalmente comporta una latenza indesiderata.

Che cos’è un sensore di forza/coppia?

Un sensore robotico di forza/coppia è un dispositivo che misura simultaneamente la forza e la coppia che agiscono su una determinata superficie. Questa misura viene quantificata, registrata o utilizzata per fornire un segnale di feedback in tempo reale, ad esempio nelle interazioni uomo-robot. Il sensore di questo tipo più utilizzato in robotica è il sensore di forza/coppia a sei assi, in cui vengono misurate simultaneamente tre forze assiali e tre coppie.

Oggi i sensori di forza/coppia vengono utilizzati in un’ampia gamma di settori e applicazioni, anche se è più comune trovarli in applicazioni robotiche collaborative. La misurazione dei segnali in tempo reale per il controllo del feedback consente ai robot di eseguire compiti di interazione uomo-macchina estremamente impegnativi e di grande precisione. Le applicazioni più comuni riguardano l’assemblaggio, i test per il controllo della qualità, la chirurgia assistita da robot, la teleoperazione e la finitura superficiale. Queste applicazioni sono caratterizzate dal sensore di forza/coppia che funge da interfaccia tra il robot e gli organi di presa (EOAT).

Qui viene mostrata una tipica e semplice configurazione dell’interfaccia robot-organo di presa che utilizza un sensore di forza/coppia. Nel caso di Bota Systems, non è necessario alcun adattatore fisico, poiché il sensore di forza/coppia viene montato direttamente su una flangia EN ISO-9409-1-80-6-M8.

Il sensore dispone di un’interfaccia elettrica con connettore M8 che utilizza una connessione RS422, USB o EtherCAT. Quando si utilizza l’opzione RS422 o USB, il sensore è alimentato direttamente da una porta USB e richiede 5V / 1,5W. Con EtherCAT, il sensore è alimentato da un alimentatore esterno da 7V a 48V con un consumo di energia fino a 1,5W.

La tecnologia dei sensori di forza/coppia

Esistono diversi materiali e tecnologie che possono essere utilizzati per produrre sensori di forza/coppia. I sensori di Bota Systems sono fabbricati utilizzando estensimetri a resistenza a lamina metallica, che sono componenti molto robusti, in grado di fornire una linearità costante, una bassa deriva e una buona stabilità alla temperatura. Gli estensimetri sono stati sviluppati e ottimizzati da Bota nel corso del tempo per fornire risultati superiori, superando altre metodologie di misurazione come quelle ottiche, a infrarossi, ecc.

I sensori Bota Systems sono realizzati con una lega di alluminio o con uno speciale acciaio ad alta resistenza che garantisce una stabilità elastica a lungo termine e un’elevata resistenza allo sforzo. Inoltre, le parti metalliche dei sensori di coppia sono trattate termicamente per attenuare lo scorrimento (creep) e consentire misurazioni affidabili e costanti.

La produzione dei sensori Bota adotta tutte le misure possibili per ridurre al minimo le non linearità hardware, al fine di eliminare gli errori accumulati che non possono essere risolti tramite algoritmi software. Queste misure comprendono la compensazione dell’offset di temperatura e di guadagno, la conversione raziometrica della tensione, il carico simmetrico, la schermatura contro le interferenze elettromagnetiche (EMI), la compensazione della capacità parassita e dell’induttanza, tutti elementi che riducono al minimo gli errori e migliorano il rapporto segnale/rumore.

La qualità finale del segnale e la sua latenza dipendono molto dalla qualità del condizionamento del segnale e dell’elettronica di acquisizione dei dati. I sensori Bota generano segnali di uscita a basso rumore che, insieme all’elevata velocità di acquisizione dei dati, riducono la necessità di applicare un ulteriore filtro, il che minimizza i ritardi del segnale.

Il trasduttore del sensore di Bota Systems è una tecnologia proprietaria in attesa di brevetto che consente di ridurre i costi di produzione, assicura una deriva a bassa temperatura e un fattore di forma compatto.

L’elettronica del sensore e dell’interfaccia è completamente integrata e schermata all’interno della custodia del sensore. Ciò riduce significativamente il cablaggio, il peso, la complessità e l’incertezza della misura, consentendo al contempo funzioni avanzate come la compensazione inerziale.

Sensori integrati e sensori autonomi a confronto

Per fare un confronto tra sensori integrati e sensori autonomi, è stato installato un sensore di forza/coppia di Bota Systems su un robot con carico utile di 20 kg e lo si è confrontato con il sensore di forza/coppia integrato nel robot. Il test è stato condotto utilizzando un robot specifico, tuttavia rappresenta una applicazione tipica in grado di fornire risultati comparativi oggettivi.

Nella figura viene illustrato in modo chiaro che la capacità di carico del sensore di Bota Systems si adatta alla curva di carico del robot da 20 kg, mentre il sensore integrato non sembra riuscire a coprire l’intera area di funzionamento del robot. Ad esempio, un carico di 100 N applicato a una distanza di 600 mm perpendicolare al telaio di riferimento della flangia dell’utensile induce un carico di 60 Nm che si trova al di fuori del campo operativo del sensore integrato. Le deboli specifiche del sensore interno impediscono al robot di eseguire operazioni sensibili alla forza in tutto il suo campo operativo, limitando di fatto le sue capacità di carico utile e di portata nel caso di applicazioni significative come la finitura delle superfici o l’assemblaggio.

Il sensore Bota supera il sensore integrato sotto molti punti di vista (vedere la Tabella seguente): precisione, rumore e accuratezza sono tutti sostanzialmente migliori. Anche la frequenza massima di campionamento dei dati è quattro volte superiore, con 2 kHz rispetto a 0,5 kHz.

Un’altra applicazione comune dei sensori integrati è la misurazione del vettore forza a 6 assi sull’effettore finale del robot, ossia un sensore di coppia a 1 asse installato su ciascun giunto, dove la coppia misurata su ciascun giunto, combinata con la posizione del giunto e la cinematica del robot, è teoricamente sufficiente per calcolare e stimare il vettore forza sull’effettore finale (end effector). A prima vista, questa sembra essere una soluzione integrata molto pratica e conveniente, ma in realtà presenta diversi svantaggi. Il livello di rumore non è standard, poiché deriva dalla configurazione del robot; ad esempio, quando il braccio è completamente disteso (singolarità), alcune componenti della forza dell’ end effector vengono assorbite dalla struttura del robot e non possono essere rilevate dai sensori di coppia del giunto.

Applicazioni con i sensori di forza/coppia di precisione

Le aziende di robotica si concentrano spesso su applicazioni standard come la palletizzazione o la saldatura, per le quali i sensori di forza/coppia integrati sono generalmente sufficienti. Tuttavia, esiste un numero crescente di applicazioni che richiedono un livello superiore di qualità di rilevamento della forza/coppia, come ad esempio le applicazioni di assemblaggio di precisione o le operazioni di levigatura e lucidatura.

Le lavorazioni di finitura superficiale come l’asportazione di materiale, la lucidatura, la sbavatura o la smerigliatura sono tra le attività più difficili nel campo delle lavorazioni meccaniche. L’uso di sensori di forza/coppia e l’implementazione del controllo diretto della forza consentono di automatizzare efficacemente i processi più difficili. Il feedback rapido e accurato dei sensori autonomi ad alta precisione fornisce la flessibilità e l’adattabilità necessarie anche per le forme più complesse e consente di ottenere un’elevata qualità superficiale con la massima ripetibilità.

Un ulteriore vantaggio è che l’uso di sensori autonomi di forza/coppia aumenta la flessibilità di produzione, rendendo più facile adattare un sistema esistente per creare nuove applicazioni sostituendo il sensore. Ciò significa che i clienti possono lavorare in modo economicamente vantaggioso su una scala di produzione ridotta, applicando in modo flessibile più varianti di un pezzo simile o anche lotti più piccoli di un pezzo specifico. Inoltre, è possibile modificare un sistema robotico per un determinato periodo di tempo, ad esempio l’installazione di un sensore diverso per un progetto di breve durata che si svolge in poche settimane.

Software, supporto e kit di strumenti

I sensori di forza/coppia Bota sono forniti con un kit completo che comprende l’elettronica integrata, il cablaggio, l’alimentatore, gli adattatori, i dispositivi di fissaggio, ecc. Il kit comprende una chiavetta USB contenente tutti i driver e il codice necessari per le piattaforme più comuni, come Python, TwinCAT, URcap, Stäubli Robot Studio, Matlab, LabVIEW, ROS o Windows.

Il pacchetto è dotato di un codice di esempio che consente di risparmiare tempo di sviluppo nella configurazione delle applicazioni più comuni. Questo codice può essere utilizzato per creare gli elementi costitutivi di varie attività, facilitando la scrittura del programma completo richiesto dal cliente.

A prima vista, potrebbe sembrare che la messa in funzione dovrebbe essere più semplice con un sensore integrato, ma questo aspetto è già stato affrontato dai fornitori di sensori e dalle aziende di robotica che collaborano per semplificare l’integrazione. Ad esempio, il kit di sensori Universal Robot FT di Bota, un sensore di forza/coppia a sei assi altamente sensibile, è certificato da Universal Robotics (UR) per l’uso con il robot collaborativo UR20.

Grazie a questa certificazione, Bota Systems è entrata a far parte dell’ecosistema UR+, un gruppo crescente di partner approvati da UR per l’utilizzo con i suoi robot. Questo dà ai clienti la sicurezza di poter scegliere tra le soluzioni migliori della categoria, come i sensori di Bota, risparmiando tempo di sviluppo e riducendo i rischi.

In effetti, Bota è essenzialmente un’azienda di robotica più che di sensori, e la maggior parte dei suoi ingegneri ha un forte background nella robotica. Ciò significa che ha un alto livello di competenza nella programmazione dei robot ed è in grado di fornire assistenza ai clienti finali e agli integratori di sistemi.

Non tutti i sensori sono uguali

I robot devono essere più intelligenti e flessibili, ma senza compromettere la sicurezza, che rimane la priorità numero uno. Il controllo della forza affronta queste sfide fondamentali, fornendo in tempo reale dati utilizzabili grazie a sensori di forza/coppia altamente precisi e affidabili.

Non tutti i sensori di forza/coppia sono uguali. I sensori autonomi presentano chiaramente numerosi vantaggi rispetto alle opzioni integrate standard, essendo in genere molto più precisi e flessibili. I sensori di forza/coppia di Bota Systems sono progettati specificamente per le applicazioni robotiche: sono precisi, robusti, compatibili e semplici da integrare e promettono di portare le applicazioni robotiche più impegnative a un livello superiore.

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