Ogni tipologia di robot presenta vantaggi e limiti. Un primo approccio per un’analisi comparativa potrebbe basarsi sui gradi di libertà, o meglio sul numero di assi di cui un robot è dotato. Nel caso di due assi, riferibili principalmente alle tavole X-Y, si hanno movimenti su due assi, mentre con tre assi un robot esprime i suoi gradi di libertà su X-Y-Z. Si tratta di robot caratterizzati da una forma rigida, che non possono inclinarsi o ruotare su se stessi, anche se possono avere tool dotati della flessibilità necessaria per adattarsi alla forma di un payload. I robot a quattro e cinque assi consentono ulteriore flessibilità, mentre la capacità di movimentare oggetti in qualsiasi direzione e orientamento caratterizza i robot articolati a sei assi, con sei gradi di libertà, tipicamente utilizzati per applicazioni che richiedono manipolazioni complesse. È possibile anche un settimo grado di libertà per incrementare il raggio d’azione del robot tramite traslazione lungo un asse, da cui una portata più estesa. Da considerare anche una serie di caratteristiche, tra cui il raggio d’azione e il carico utile (reach e payload), che rappresenta la base per scegliere un robot adatto alla propria applicazione: un carico pesante esclude altre tecnologie di movimentazione leggera, e se invece è leggero ma la portata richiesta è lunga, probabilmente l’opzione più economica è un robot cartesiano low cost. Poi la flessibilità: se un’applicazione richiede cinque o sei gradi di libertà, l’unica soluzione è un robot articolato, ma in casi più semplici, come il posizionamento di parti, possono bastare due o tre assi. Altri elementi da considerare sono la velocità di esecuzione, il footprint e la facilità di programmazione, manutenzione e riparazione.

Vantaggi e limiti dei diversi robot

Tutte le tipologie di robot sono ottimali per applicazioni in cui sono sfruttabili le loro caratteristiche peculiari, ma si possono comunque evidenziare limitazioni, da intendersi come attenzioni da porsi nel processo di scelta di un utente. I robot articolati, il cui vantaggio principale è la flessibilità, per loro concezione occupano uno spazio che non può essere utilizzato per altri scopi. Queste limitazioni spaziali, se i robot sono utilizzati in zone in cui è presente del personale, anche solo occasionalmente, impongono sistemi di sicurezza non raramente complessi e, se le loro caratteristiche non venissero sfruttate completamente, potrebbe essere necessario prendere in considerazione altre tipologie di robot.

Gli Scara, per certi versi una versione semplificata dei robot articolati, sono sostanzialmente ottimizzati per applicazioni leggere: le loro ridotte dimensioni ne semplificano l’integrazione nelle linee di assemblaggio, garantiscono un’elevata precisione e ottimi tempi ciclo per pick and place. Sono però limitati ad applicazioni “planari”.

I robot paralleli, meglio noti come Delta, sono apprezzati per la loro velocità come pick rate, mentre il loro montaggio al di sopra della zona di lavoro ne riduce l’ingombro. La capacità di carico di queste attrezzature è però, per design, molto inferiore ad altre tecnologie robotiche, così come il working envelope. Comunque, i Delta sono generalmente limitati a quattro assi e non possono fornire la flessibilità di un robot articolato; da aggiungere una maggior difficoltà di manutenzione e riparazione rispetto ad altre tipologie.

Infine, i robot cartesiani, tipologia che prende la sua denominazione dal sistema di riferimento introdotto dal filosofo e matematico Cartesio con il metodo delle coordinate, a evidenziarne i movimenti lungo assi ortogonali.

Le caratteristiche dei robot cartesiani

I cartesiani, facili da installare e gestire, spesso considerati un’alternativa più economica rispetto ad altre tipologie di robot, presentano quelli che possono essere definiti come tre giunti lineari che utilizzano il sistema di coordinate cartesiane X-Y-Z operando tramite guide lineari per traslazione nella posizione desiderata. Le applicazioni più usuali riguardano il pick and place, l’applicazione di sigillanti, le operazioni di assemblaggio, la gestione di macchine utensili e la saldatura ad arco, mentre non sono utilizzabili nelle operazioni di lavaggio, non fornendo sufficiente protezione contro l’ingresso di acqua. Con maggior dettaglio, il design consiste in un insieme di attuatori lineari, con eventualmente un attuatore rotante all’end effector per applicazioni 3D. Caratteristica fondamentale è l’adattabilità, in quanto le corse e le dimensioni di ciascun asse possono essere personalizzate in base all’applicazione, con portata e carico utile che sono tra loro indipendenti.

L’adattabilità della movimentazione rende questi sistemi “ottimizzati” in termini di prezzo per applicazioni semplici in cui non è richiesta la capacità completa di un robot articolato, ad esempio il posizionamento di pezzi particolarmente leggeri o anche molto pesanti, oppure lo smistamento o il riempimento di box. Gli assi lineari sono poi disponibili in varie esecuzioni, da cui un ulteriore adattamento a specifiche funzioni: ad esempio, gli attuatori a cinghia dentata consentono alte velocità, mentre quelli a viti a sfere garantiscono precisione e forza di avanzamento.

Altro importante elemento di differenziazione dei cartesiani rispetto agli altri robot è l’ottimizzazione degli spazi, permettendo un completo accesso al footprint occupato, senza spazi morti. Sul fronte della sicurezza, i requisiti sono meno stringenti, con vantaggi economici sui sistemi da approntare, siano essi recinzioni o barriere, in quanto la portata è limitata alla sua ben definita area di lavoro: in sostanza, ben poco dello spazio che circonda il robot è sprecato. Per quanto riguarda programmazione e controllo, un robot cartesiano non necessariamente richiede un controllore di movimento specifico, e inoltre, dato che il movimento degli attuatori si sviluppa nello spazio di lavoro rappresentato dalle coordinate degli assi, l’interpolazione della posizione dei motori non è indispensabile per determinare la posizione dell’end effector nello spazio. Detto diversamente, non servono elaborazioni di cinematica inversa e in molti casi può essere utilizzato un PLC per controllare direttamente ciascun asse. Da ricordare che la cinematica è lo studio di un movimento senza considerarne le cause, quali forze o coppie, e la cinematica inversa è l’utilizzo delle equazioni di cinematica per determinare il movimento di un robot con cui raggiungere una posizione desiderata.

Programmazione e installazione

Se utilizzati senza motion controller, i robot cartesiani, possono richiedere, ovviamente a seconda dell’applicazione, un tempo di programmazione più lungo rispetto a quello necessario con altri tipi di robot. I Teach pendant sono poco usuali, per cui la programmazione delle sequenze è eseguita tramite PLC, con ciascun asse messo in servizio singolarmente e accuratamente allineato; è inoltre necessario verificare l’adeguatezza della planarità della superficie, soprattutto nei sistemi di maggiori dimensioni. Sempre in tema di programmazione e installazione, da sottolineare che i robot cartesiani sono configurati in modo univoco per ogni applicazione; in termini pratici, se le modifiche di formato di un prodotto o di un imballaggio possono essere realizzate rapidamente tramite PLC, a livello di sistema potrebbero rivelarsi necessarie modifiche meccaniche del sistema robot. Da aggiungere che il design dei robot cartesiani è scalabile senza particolari difficoltà, prevedendo spesso componenti standard a catalogo, quali servomotori, controller, guide lineari e gripper. Questo aspetto è parte della loro convenienza, garantendo che parti di ricambio siano rapidamente disponibili e installabili.

A fronte di questi elementi positivi vi sono naturalmente aspetti negativi, primo tra tutti la relativa rigidità: sono garantiti movimenti lineari sui tre assi con eventuale aggiunta di un quarto asse per rotazione dell’end effector, ma per realizzare attività sincronizzate più complesse va preso in considerazione un motion controller.

A conclusione, una nota che potrebbe apparire quantomeno inappropriata. Stante le caratteristiche fin qui enunciate, che portano a una percezione molto diversa dei robot cartesiani rispetto ad altre tipologie cui si fa spesso maggior riferimento, tipicamente un articolato che rappresenta nell’immaginario collettivo il robot industriale in quanto tale, può veramente un cartesiano essere considerato come robot oppure più semplicemente come macchina di un qualche tipo? Viene in soccorso la definizione standard ISO 8373:2012, secondo cui un robot è un manipolatore a controllo automatico, riprogrammabile e multifunzione, che svolge le sue attività secondo tre o più assi, può essere sia stazionario che mobile, ed è dedicato ad applicazioni di automazione industriale. Dunque, un robot cartesiano, con movimentazioni tramite attuatori lineari su tre assi ortogonali, è a tutti gli effetti un robot perché su questi assi esegue un movimento coordinato, programmato tramite PLC o gestito da un motion controller.

Cartesian vs gantry

La letteratura tecnica spesso definisce i robot cartesiani come gantry, lasciando intendere che le due terminologie possono essere considerate equivalenti, cioè riferite alla stessa tipologia di robot. In effetti non è propriamente così. Tra l’altro, i cartesiani e i gantry non raramente sono inquadrati come “linear o rectilinear robot”. Da sottolineare che “gantry” non è il nome dell’inventore di questo tipo di macchine, anche se qualcuno lo pensa ancora, ma un termine inglese che significa “cavalletto”, a ricordarne la forma. Più in generale, con gantry si intende una struttura a ponte sopraelevata che supporta apparecchiature di varia natura.

Nello specifico della robotica, poi, i robot gantry, o a portale, sono descritti come grandi sistemi che eseguono applicazioni di pick and place, ma che possono essere utilizzati anche nella saldatura e in altre applicazioni: panorama indubbiamente limitativo e generico. La differenza tra cartesiani e gantry sembrerebbe a questo punto di tipo dimensionale, il che è errato. Come prima evidenziato un robot cartesiano è tale in quanto effettua movimenti lineari sui tre assi ortogonali X, Y e Z, secondo le coordinate cartesiane. Ma non tutti i sistemi lineari che lavorano su X-Y-Z sono robot cartesiani, e un’importante eccezione è un tipo di robot che utilizza due assi X di base in parallelo: questa configurazione 2X-Y-Z è quella dei gantry robot.

La differenza principale tra un robot cartesiano e un gantry, dunque, consiste nel fatto che il primo impiega un attuatore lineare per ogni asse, mentre il secondo è sempre realizzato con due assi di base X con l’asse Y che li attraversa. Questa configurazione impedisce al secondo asse di essere a sbalzo o, come si dice, “cantilevered”, nel senso di elemento strutturale che si estende in orizzontale e supportato a una sola estremità; in tal modo si consente ai gantry di avere lunghezze di corsa molto più lunghe e, in molti casi, carichi utili maggiori rispetto ai cartesiani. Infine, è doveroso ricordare che c’è un altro tipo di sistema multiasse che non rientra nella definizione di robot cartesiano: la tavola X-Y, che prevede due assi montati uno sopra l’altro, con corse in genere limitate. La differenza principale con i cartesiani è nel modo in cui è posizionato il carico: invece di essere a sbalzo (cantilevered) è centrato sull’asse Y, senza un momento significativo sull’asse stesso. Queste tavole operano solo all’interno del proprio footprint, con il carico che non si estende oltre l’asse Y, rendendole particolarmente adatte per applicazioni in cui un carico deve essere posizionato sul piano orizzontale. Tra le applicazioni delle tavole X-Y anche la movimentazione orizzontale delle basi di robot altrimenti stazionari, per operazioni di assemblaggio.

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