IT201800003065A1

IT201800003065A1 - Cinematismo a traiettoria programmabile

Info

Publication number: IT201800003065A1
Application number: IT102018000003065A
Authority: IT
Inventors: Gilberto Spirito; Luca Federici
Original assignee: Gd Spa
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2019-08-27
Also published as: PL3758896T3; EP3758896A1; EP3758896B1; WO2019166923A1

Description

DESCRIZIONE

dell’invenzione industriale dal titolo:

“Cinematismo a traiettoria programmabile”

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione riguarda un cinematismo a traiettoria programmabile, in particolare un cinematismo utilizzabile come elemento costruttivo di un robot di manipolazione industriale.

La presente invenzione può servire, in modo specifico ma non esclusivo, in robot di manipolazione industriale idonei per il settore del confezionamento, ad esempio nel confezionamento di pacchetti di sigarette e/o di sigarette elettroniche.

ARTE ANTERIORE

La tecnica nota comprende cinematismi a traiettoria programmabile utilizzati come elementi costruttivi dei cosiddetti robot paralleli, ovverosia sistemi meccanici con una pluralità di bracci controllati da un computer per supportare e movimentare un dispositivo di estremità (“end-effector”).

In particolare, la tecnica nota comprende il robot Delta, un tipo di robot parallelo che consiste in tre bracci ciascuno dei quali è azionato da un rispettivo attuatore montato su un basamento.

La figura 1 mostra un singolo braccio di un robot Delta, comprendente un parallelogramma articolato P in cui una delle due aste corte è accoppiata a un organo mobile K del rispettivo attuatore, mentre l’altra asta corta è accoppiata al dispositivo di estremità E (mostrato solo parzialmente in figura 1).

La coppia di aste lunghe del parallelogramma articolato P, che sono estese tra il rispettivo organo mobile K e il dispositivo di estremità E, può trasmettere una spinta assiale N parallela all’asse longitudinale delle aste lunghe e un momento torcente M perpendicolare al suddetto asse.

Comporre un robot parallelo con tre bracci del tipo appena descritto richiede che la terna di spinte assiali N sia non complanare e che la terna di coppie assiali M sia a sua volta non complanare: ciò limita fortemente la configurazione finale ottenibile.

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Uno scopo della presente invenzione è di trovare una soluzione alternativa al problema di costruire un cinematismo a traiettoria programmabile.

Un vantaggio è di rendere disponibile un cinematismo utilizzabile come elemento costruttivo di un robot di manipolazione industriale.

Un vantaggio è di provvedere un cinematismo a traiettoria programmabile costruttivamente semplice ed economico.

Un vantaggio è di permettere una notevole libertà e flessibilità nel posizionare gli attuatori che azionano il cinematismo e/o nell’orientare le aste che collegano gli attuatori con il dispositivo di estremità.

Un vantaggio è di realizzare un cinematismo azionabile con attuatori che non sono disposti su parti in movimento del cinematismo.

Un vantaggio è di agevolare la configurazione del cinematismo con un desiderato numero di gradi di libertà (variabile da tre a sei).

Un vantaggio è di migliorare la flessibilità, la gestione degli ingombri e il volume di lavoro, senza andare a scapito delle economie di scala.

Un vantaggio è di fornire un cinematismo di facile pulizia e sanificazione, in particolare grazie all’impiego di giunti proteggibili con adeguati mezzi di copertura (ad esempio, soffietti o protezioni sferiche a tenuta).

Un vantaggio è di dare luogo a un cinematismo dotato di una rigidezza meccanica relativamente elevata e/o di un peso relativamente ridotto.

Un vantaggio è di consentire la costruzione di un robot parallelo con una robustezza e/o una precisione e/o un carico utile migliorati rispetto ai robot paralleli, in particolare ai robot Delta, della tecnica nota.

Un vantaggio è di ottenere un cinematismo caratterizzato da una variabilità delle inerzie relativamente ridotta, il che consente, in particolare, una notevole semplificazione della parametrizzazione degli assi motorizzati.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un cinematismo come nelle rivendicazioni allegate.

In un esempio, il cinematismo può comprendere tre attuatori, un dispositivo di estremità collegato ai tre attuatori, tre aste ciascuna delle quali presenta un asse longitudinale esteso tra una prima estremità e una seconda estremità dell’asta, in cui, per ogni asta, la prima estremità è collegata a un rispettivo attuatore mediante un primo giunto (cardanico) e la seconda estremità è collegata al dispositivo di estremità mediante un secondo giunto (cardanico).

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento agli allegati disegni che ne illustrano alcune forme esemplificative e non limitative di attuazione, in cui:

- la figura 1 mostra una porzione di un cinematismo di un robot Delta realizzato secondo la tecnica nota;

- la figura 2 mostra una porzione di un cinematismo realizzato secondo un primo esempio della presente invenzione;

- la figura 3 è una vista in prospettiva di un cinematismo che comprende la porzione di cinematismo di figura 2, in cui il cinematismo è montato su basamento;

- la figura 4 mostra il cinematismo di figura 3 visto da una diversa prospettiva;

- le figure da 5 a 7 mostrano tre diversi esempi di disposizioni nello spazio di tre porzioni di cinematismo secondo la presente invenzione;

- le figure 8 e 9 mostrano due diversi esempi di cinematismi secondo la presente invenzione.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE

In questa descrizione, elementi analoghi, in comune alle diverse forme di attuazione illustrate, sono stati indicati con la stessa numerazione.

Con 1 è stato indicato nel suo complesso un cinematismo a traiettoria programmabile che può essere utilizzato come elemento costruttivo di un robot di manipolazione industriale (in particolare, un robot parallelo).

Il cinematismo 1 può comprendere, in particolare, tre attuatori 2 ciascuno dei quali aziona almeno un organo mobile 3. Ogni attuatore 2 può essere collegato al rispettivo organo mobile 3 mediante un sistema di trasmissione del moto.

Ogni attuatore 2 può essere configurato, in particolare, per azionare il rispettivo organo mobile 3 con un grado di libertà o con due gradi di libertà.

Ogni attuatore 2 può comprendere, in particolare, un attuatore rotazionale con un rotore collegato al rispettivo organo mobile 3.

Ogni attuatore 2 può comprendere, ad esempio, un motore elettrico, un attuatore idraulico, un attuatore pneumatico, eccetera.

Il cinematismo 1 può comprendere, in particolare, per ogni attuatore 2, un’asta 4 estesa lungo un asse longitudinale. Ogni asta 4 può essere collegata all’organo mobile 3 del rispettivo attuatore 2. Ogni asta 4 può comprendere, in particolare, un elemento longitudinale con sezione trasversale retta costante (circolare).

Il cinematismo 1 può comprendere, in particolare, almeno un dispositivo di estremità 5 (“end effector”) movimentabile dagli attuatori 2. Ogni asta 4 può essere collegata al dispositivo di estremità 5.

Il dispositivo di estremità 5 può comprendere, ad esempio, qualsiasi tipo di dispositivo o utensile controllabile da un robot di manipolazione industriale e/o configurabile per interagire con l’ambiente.

Il cinematismo 1 può comprendere, in particolare, per ogni asta 4, un primo giunto 6 per collegare la rispettiva asta 4 all’organo mobile 3 del rispettivo attuatore 2.

Il primo giunto 6 può essere configurato, in particolare, per trasmettere almeno un momento torcente C tra la rispettiva asta 4 e l’organo mobile 3 del rispettivo attuatore 2; questo momento torcente C può essere, in particolare, parallelo all’asse longitudinale della rispettiva asta 4.

Il primo giunto 6 può essere configurato, in particolare, per trasmettere almeno una spinta assiale F tra la rispettiva asta 4 e l’organo mobile 3 del rispettivo attuatore 2; questa spinta assiale F può essere, in particolare, parallela all’asse longitudinale della rispettiva asta 4; questa spinta assiale F può essere, ad esempio, trasmessa in maniera coassiale o disassata tra l’asta 4 e l’organo mobile 3. Il primo giunto 6 può comprendere, come in questi esempi, un giunto cardanico.

Il cinematismo 1 può comprendere, in particolare, un secondo giunto 7 per collegare la rispettiva asta 4 al dispositivo di estremità 5.

Il secondo giunto 7 può essere configurato, in particolare, per trasmettere almeno un momento torcente C tra la rispettiva asta 4 e il dispositivo di estremità 5; questo momento torcente C può essere, in particolare, parallelo all’asse longitudinale della rispettiva asta 4.

Il secondo giunto 7 può essere configurato, in particolare, per trasmettere almeno una spinta assiale F tra la rispettiva asta 4 e il dispositivo di estremità 5; questa spinta assiale F può essere, in particolare, parallela all’asse longitudinale della rispettiva asta 4; questa spinta assiale F può essere, ad esempio, trasmessa in maniera coassiale o disassata tra l’asta 4 e il dispositivo di estremità 5. Il secondo giunto 7 può comprendere, come in questi esempi, un giunto cardanico.

L’asse longitudinale di ogni asta 4 può essere esteso tra il rispettivo primo giunto 6 e il rispettivo secondo giunto 7.

Si nota che i giunti 6 e 7 (giunti cardanici) possono essere agevolmente coperti e protetti da soffietti o da protezioni sferiche a tenuta.

L’organo mobile 3 può comprendere, come in alcuni esempi qui illustrati, per almeno un attuatore 2, o per due o più attuatori 2, o per ogni attuatore 2, almeno una leva 8 con una prima estremità che riceve energia dall’attuatore 2 e una seconda estremità collegata alla rispettiva asta 4 mediante il rispettivo primo giunto 6 (vedi esempi delle figure da 5 a 8). La prima estremità della leva 8 può essere, come in questi esempi, girevole attorno a un asse di rotazione. Tale asse di rotazione della leva 8 può essere, in particolare, trasversale (ortogonale) all’asse longitudinale della rispettiva asta 4.

L’organo mobile 3 può comprendere, per almeno un attuatore 2, o per due o più attuatori 2, o per ogni attuatore 2, almeno un albero 9 dotato di un moto combinato rotatorio e traslatorio (vedi esempi delle figure 8 e 9). L’albero 9 può comprendere, in particolare, un’estremità collegata alla rispettiva asta 4 mediante il rispettivo primo giunto 6.

Il moto roto-traslatorio di ciascun albero 9 può essere realizzato, come in questi casi specifici, mediante un attuatore roto-traslante, in particolare del tipo a vite, come, ad esempio, una vite a ricircolo di sfere, vite a doppia scanalatura (ad esempio assiale ed elicoidale), vite a due eliche contrapposte, un preassemblato vite-manicotto (“screw-spline”) commercialmente disponibile, eccetera.

Può essere previsto, come in questi esempi, che almeno un attuatore 2 azioni il rispettivo organo mobile 3 con un moto comprendente almeno una rotazione. Negli esempi specifici qui illustrati, è previsto che ciascuno dei tre attuatori 2 azioni il rispettivo organo mobile 3 con un moto comprendente almeno una rotazione.

Le tre aste 4 possono essere disposte, come in questi esempi, in maniera che gli assi longitudinali delle tre aste 4, comandate dai rispettivi tre attuatori 2, non siano complanari tra loro.

Ogni attuatore 2 può essere fissato a una rispettiva zona di basamento 10. Le tre zone di basamento 10 dei rispettivi tre attuatori 2 possono essere solidali tra loro. Le tre zone di basamento 10 possono essere disposte, in particolare, su una medesima intelaiatura (nel caso esemplificativo di figura 3, un’intelaiatura cava di forma complessa dettata dalle più varie esigenze di impianto). Le tre zone di basamento 10 possono essere disposte, in altri esempi, su intelaiature distinte (in generale solidali tra loro).

Il cinematismo 1 può comprendere, come negli esempi qui descritti, tre gruppi di elementi ciascuno dei quali include un attuatore 2, un’asta 4, un primo giunto 6 (atto a trasmettere un momento torcente C parallelo all’asta 4) e un secondo giunto 7 (atto a trasmettere un momento torcente C parallelo all’asta 4). I tre gruppi di elementi possono essere operativamente associati a un qualsiasi tipo di dispositivo di estremità 5.

Il cinematismo 1 può consistere, in sostanza, in un sistema modulare che può essere facilmente riconfigurabile a seconda delle necessità. Si osservi, in particolare, che per ciascun elemento attuatore i momenti trasmissibili C possono essere allineati alle rispettive forze trasmissibili F, per cui il vincolo di non complanarità dei momenti C è già implicito nel vincolo di non complanarità delle forze F e non impone, quindi, ulteriori accorgimenti geometrici.

I cinematismi delle figure 5, 6 e 7 rappresentano tre esempi di diverse possibili configurazioni ottenibili con tre gruppi del sistema modulare, in cui ogni gruppo comprende un organo mobile 3 con un singolo grado di libertà.

I cinematismi delle figure 8 e 9 rappresentano due esempi di diverse possibili configurazioni ottenibili con tre gruppi del sistema modulare, in cui almeno un gruppo comprende un organo mobile 3 con due gradi di libertà.

È possibile prevedere altre combinazioni, non illustrate, di configurazioni ottenibili con tre gruppi del sistema modulare, in cui ogni gruppo comprende un organo mobile 3 con un grado di libertà o con due gradi di libertà.

Il sistema modulare consente di realizzare, in maniera pratica e con notevole versatilità, un elevato numero di diverse configurazioni di cinematismi a traiettoria programmabile.

Le varie aste 4 possono essere disposte, in particolare, con orientamenti sostanzialmente perpendicolari tra loro.

In pratica, il dispositivo di estremità 5 può essere collegato alle tre aste 4 mediante i tre rispettivi secondi giunti 7 (ad esempio cardanici).

Ogni asta 4 può comprendere, in particolare, un puntone/tirante in grado di lavorare sia a compressione che a trazione.

Ogni asta 4 (puntone/tirante) può essere mantenuta fissa rispetto alla rotazione ed essere spinta e/o tirata da una leva (ad esempio come la leva 8).

Ogni asta 4 (puntone/tirante) può essere comandata sia in traslazione, sia in rotazione, attraverso un sistema roto-traslante (ad esempio come l’albero 9).

L’organo mobile 3 (con uno o con due gradi di libertà) potrà essere vincolato alla rispettiva asta 4 (puntone/tirante) mediante il primo giunto 3 (ad esempio un giunto cardanico).

Nell’esempio specifico delle figure 3 e 4, il cinematismo 1 è montato su un unico basamento di supporto (che include le tre zone di basamento 10). In altri esempi, non illustrati, potrebbe non essere previsto un unico basamento per tutti e tre gli attuatori 2, ma i singoli attuatori 2 possono essere disposti, di volta in volta, a seconda degli ingombri meccanici e delle varie necessità operative e/o di assemblaggio, vicini tra loro oppure su differenti supporti (in genere solidali tra loro).

È previsto che anche gli angoli di orientamento delle aste 4 possano variare con una certa libertà, in maniera da permettere così di ottimizzare, di caso in caso, il volume di lavoro.

Si osserva, in particolare, che il cinematismo 1 consente una libera composizione dei gradi di libertà (che nel complesso possono variare da tre a sei) con un’ampia possibilità di diverse configurazioni.

È possibile fare in modo che, qualunque sia la configurazione scelta, tutti gli attuatori 2 non siano mobili, ovverosia montati su parti mobili del cinematismo, ma siano fissi, con la conseguenza di offrire numerosi vantaggi quali, ad esempio, ridurre le masse in movimento, semplificare i vari cablaggi, eseguire sostituzioni o manutenzioni in maniera non invasiva, eccetera.

Nel funzionamento, il movimento viene trasmesso dai tre attuatori 2 al dispositivo di estremità 5 mediante tre aste 4 (non complanari tra loro) sollecitate a torsione (con momento torcente C) e a trazione/compressione (con spinta assiale F trasmessa coassialmente o anche disassata).

La trasmissione avviene, per ogni asta 4, per il tramite dei due giunti 6 e 7. Negli esempi specifici si tratta di due giunti cardanici, anche se è possibile utilizzare tipologie equivalenti al giunto cardanico, in grado di trasmettere sia un momento torcente C (parallelo all’asse longitudinale dell’asta 4), sia una spinta assiale F (parallela all’asse longitudinale dell’asta 4).

Le aste 4 possono essere azionate in movimento da attuatori 2 di vario tipo (con movimenti a uno o due gradi di libertà). È possibile prevedere attuatori 2 diversi per le varie aste 4 (come nell’esempio di figura 8).

In generale, è possibile utilizzare, in pratica, qualsiasi combinazione possibile di attuatori con uno o due gradi di libertà (ad esempio un attuatore con due gradi di libertà e due attuatori con un grado di libertà, oppure un attuatore con un grado di libertà e due attuatori con due gradi di libertà), in combinazione con vari possibili diversi orientamenti delle aste, per cui il cinematismo consente di ottenere un robot di manipolazione industriale mediante una composizione modulare di almeno due tipologie diverse di attuatore 2 con le tre aste 4 di manovra.

Il cinematismo 1 può comprendere, in sostanza, un cedente (ovverosia il dispositivo di estremità 5) movimentato da tre moventi (ovverosia le tre aste 4) a loro volta azionati da tre attuatori 2, in cui il posizionamento dei moventi e degli attuatori può essere distribuito con notevole libertà e versatilità su altrettante zone di basamento 10 o porzioni di telaio disponibili.

Il cedente (dispositivo di estremità 5) potrà essere movimentato entro uno spazio di lavoro idoneo per eseguire le operazioni desiderate, ad esempio le operazioni richieste a un robot di manipolazione industriale.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Cinematismo (1) comprendente: tre attuatori (2) ciascuno dei quali aziona un organo mobile (3); per ogni attuatore (2), un’asta (4) estesa lungo un asse longitudinale e collegata all’organo mobile (3) del rispettivo attuatore (2); un dispositivo di estremità (5) movimentabile dagli attuatori (2), ogni asta (4) essendo collegata al dispositivo di estremità (5); per ogni asta (4), un primo giunto (6) per collegare la rispettiva asta (4) all’organo mobile (3) del rispettivo attuatore (2) e un secondo giunto (7) per collegare la rispettiva asta (4) al dispositivo di estremità (5); in cui il primo giunto (6) è configurato per trasmettere, tra la rispettiva asta (4) e l’organo mobile (3) del rispettivo attuatore (2), almeno un momento torcente (C) parallelo all’asse longitudinale della rispettiva asta (4); e/o in cui il secondo giunto (7) è configurato per trasmettere, tra la rispettiva asta (4) e il dispositivo di estremità (5), almeno un momento torcente (C) parallelo all’asse longitudinale della rispettiva asta (4).
2. Cinematismo secondo la rivendicazione 1, in cui il primo giunto (6) è configurato per trasmettere, tra la rispettiva asta (4) e l’organo mobile (3) del rispettivo attuatore (2), almeno una spinta assiale (F), coassiale o disassata, parallela all’asse longitudinale della rispettiva asta (4).
3. Cinematismo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il secondo giunto (7) è configurato per trasmettere, tra la rispettiva asta (4) e il dispositivo di estremità (5), almeno una spinta assiale (F), coassiale o disassata, parallela all’asse longitudinale della rispettiva asta (4).
4. Cinematismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo giunto (6) comprende un giunto cardanico.
5. Cinematismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il secondo giunto (7) comprende un giunto cardanico.
6. Cinematismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui, per almeno un attuatore (2), l’organo mobile (3) comprende una leva (8) con una prima estremità girevole attorno a un asse di rotazione e una seconda estremità collegata alla rispettiva asta (4) mediante il rispettivo primo giunto (6).
7. Cinematismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui, per almeno un attuatore (2), l’organo mobile (3) comprende un albero (9) dotato di un moto combinato rotatorio e traslatorio, l’albero (9) comprendendo almeno un’estremità collegata alla rispettiva asta (4) mediante il rispettivo primo giunto (6).
8. Cinematismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui almeno un attuatore (2) aziona il rispettivo organo mobile (3) con un moto comprendente almeno una rotazione.
9. Cinematismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’asse longitudinale di ogni asta (4) è esteso tra il rispettivo primo giunto (6) e il rispettivo secondo giunto (7).
10. Cinematismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui almeno un attuatore (2) è configurato per azionare il rispettivo organo mobile (3) con un grado di libertà e/o in cui almeno un attuatore (2) è configurato per azionare il rispettivo organo mobile (3) con due gradi di libertà.
11. Cinematismo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui almeno un attuatore (2) comprende un attuatore rotazionale con un rotore collegato al rispettivo organo mobile (3) e/o in cui gli assi longitudinali delle tre aste (4) dei rispettivi tre attuatori (2) non sono complanari tra loro e/o in cui ogni attuatore (2) è fissato a una rispettiva zona di basamento (10) e le tre zone di basamento (10) dei rispettivi tre attuatori (2) sono solidali tra loro.