Cobot e sensori di coppia: come funzionano e a cosa servono

Come funziona il sensore di forza/coppia nei cobot?

I sensori di coppia/forza sono dispositivi che possono convertire le forze e le torsioni su tutti e tre gli assi spaziali in segnali elettrici più facilmente utilizzabili nel campo della robotica. Quando sono direttamente integrati nel robot, questi sensori si basano su delle celle torsiometriche interne al cobot, e in grado di tradurre la coppia meccanica in un segnale di uscita digitale proporzionale alla coppia applicata. Ciò garantisce una risposta molto rapida del cobot, poiché si affida alla rilevazione diretta della forza o della coppia, invece che derivarne il valore con calcoli complessi che sfruttano le correnti del motore.

Nei cobot sono particolarmente utili perché consentono loro di interagire in modo sicuro e preciso con l’ambiente circostante e con gli esseri umani. I sensori di forza/coppia nel cobot monitorano la coppia meccanica lungo i vari giunti del cobot, ossia i punti di rotazione del braccio robotico. Queste unità articolari regolano il movimento di ciascun braccio robotico e il sensore di coppia rileva la coppia all’interno del motore e del riduttore. I dati relativi alla coppia vengono utilizzati dal sistema di controllo per disattivare il giunto, evitando danni al braccio robotico e agli operatori umani.

In parole semplici, questi sensori sono in grado di rilevare la forza e la coppia lungo i diversi assi, consentendo al cobot di regolare il proprio tocco e la propria forza in base alla situazione.

I sensori di coppia/forza consentono di misurare con precisione le forze che agiscono sull’estremità del braccio robotico, noto anche come “end effector”, lungo uno o più assi di misurazione. Questi sensori possono avere fino a sei assi di misurazione, tre per la forza e tre per la torsione, posti perpendicolarmente tra loro. Generalmente, l’asse della forza Fz è orientato verso l’alto e perpendicolare alla superficie superiore del sensore, mentre gli assi Fx e Fy sono paralleli alla superficie. Attorno a questi assi vengono misurati i momenti torcenti Mx, My e Mz.

I sensori di forza/coppia con tecnologia resistiva

I sensori di forza/coppia possono utilizzare diverse tecnologie di misurazione basate su principi fisici differenti. Uno dei metodi più comuni sfrutta delle resistenze per misurare la deformazione della struttura interna del sensore a seguito di una forza subita: le forze esterne agiscono sulla sezione interna del sensore e alcune resistenze all’interno permettono di misurare la deformazione della struttura in base alla variazione della conduttanza delle resistenze stesse, che allungandosi o accorciandosi determineranno una diminuzione o un aumento della tensione in uscita. Conoscendo la differenza di tensione iniziale e le proprietà dei materiali, è possibile quindi determinare l’allungamento delle resistenze e calcolare la forza che è stata applicata per ottenere quella deformazione.

Da notare che, essendo basati su tecnologia resistiva, questi sensori di coppia/forza sono molto sensibili sia alla temperatura che ad eventuali campi magnetici presenti nell’ambiente.

I sensori di forza/coppia con tecnologia capacitiva

Questa tecnologia di misurazione utilizza dei condensatori per misurare la distanza tra delle armature installate all’interno del sensore. Applicando una forza, la struttura esterna del sensore rimane fissa mentre l’armatura interna è più flessibile e quindi subisce delle deformazioni.

Durante le sollecitazioni esterne, i condensatori presenti nel sensore vengono caricati e scaricati costantemente, permettendo di determinare la distanza tra le armature e di conseguenza la forza necessaria per deformare in quel modo il materiale.

I sensori di forza/coppia con tecnologia ottica

Oltre ai sensori di forza/coppia piezoelettrici e a quelli basati su estensimetri, una terza tipologia di sensori sta emergendo come una promettente alternativa per l’industria 4.0: i sensori ottici.

Il principio di funzionamento di questi sensori è simile a quanto già descritto, con una differenza fondamentale: la misurazione della distanza tra le componenti del sensore avviene sfruttando la luce.

In un sensore di forza/coppia ottico, un diodo LED emette un fascio di luce che attraversa una serie di componenti. Quando una forza o una coppia viene applicata al sensore, queste componenti si deformano, causando una variazione della distanza percorsa dalla luce. Un fotodiodo rileva la luce che emerge dal sensore e, in base alla sua intensità e al suo tempo di arrivo, è possibile calcolare la forza o la coppia applicata.

Da notare che i sensori ottici non sono influenzati da campi elettromagnetici, rendendoli adatti all’utilizzo in ambienti industriali con elevati livelli di interferenza.

A cosa servono i cobot con sensori di forza/coppia?

Nei cobot, i sensori di coppia svolgono un’importante funzione legata principalmente alla sicurezza. Possono infatti rilevare situazioni in cui i livelli di coppia rappresentano un rischio per le persone o per i cobot stessi.

Si può dire che i sensori di forza/coppia permettono ai cobot di simulare un tocco umano con forza controllata, utilizzando nelle lavorazioni un certo livello di precisione e sensibilità. Nelle operazioni di assemblaggio automatizzate, ad esempio, vengono utilizzati per guidare il cobot nell’inserimento preciso delle varie parti meccaniche. Nelle applicazioni di levigatura o smerigliatura consentono di controllare con precisione le forze applicate dagli strumenti, soprattutto su superfici non regolari dove è necessario adattarsi alla forma del prodotto.

I sensori di coppia/forza sono anche essenziali nella logistica, ad esempio durante il confezionamento per la ricerca e il sollevamento delle scatole. Un’applicazione particolarmente interessante è la collaborazione diretta con gli operatori. In queste situazioni, i sensori possono essere integrati nelle strategie di controllo della sicurezza dei movimenti, ad esempio per rilevare collisioni durante gli spostamenti del robot.

L’impiego di robot collaborativi dotati di controlli di forza e di coppia è fondamentale anche nel settore medico. In quest’ambito, i sensori consentono di garantire una manipolazione sicura e precisa degli strumenti chirurgici, migliorando drasticamente l’efficacia delle procedure.

Quali sono i vantaggi dell’utilizzo di sensori di coppia/forza nei cobot?

• Migliore sicurezza: i sensori di coppia/forza permettono al cobot di rilevare gli ostacoli e fermarsi automaticamente e immediatamente in caso di contatto, garantendo la sicurezza degli operatori.
• Maggiore precisione: siccome sono in grado di lavorare con forza controllata e di percepire le forze contrastanti che agiscono su di sé, e quindi il momento di contatto con l’oggetto, i cobot con a bordo questa particolare sensoristica possono eseguire compiti delicati con elevata precisione, come ad esempio l’assemblaggio di componentistica fragile.
• Aumento della produttività: i sensori di coppia/forza permettono di ottimizzare i processi produttivi grazie al fatto che riducono i tempi ciclo e aumentano la qualità delle lavorazioni effettuate dal cobot.
• Flessibilità applicativa: come visto in precedenza, l’utilizzo di questi sensori rende i cobot adatti a un’ampia gamma di applicazioni, dalla saldatura all’assemblaggio all’etichettatura e alla movimentazione di materiali delicati.

Etichettatura pallet: un esempio di applicazione robotica con sensori di coppia/forza

L’etichettatura dei pallet è un processo fondamentale nella logistica e nella gestione dei magazzini. L’automazione di questo processo offre numerosi vantaggi in termini di velocità, precisione, flessibilità e sicurezza.

Un esempio di applicazione robotica di etichettatura pallet con sensori di coppia/forza è il sistema IMPRONA. I sensori di coppia/forza sono un componente chiave di questi sistemi robotici di etichettatura dei pallet, poiché consentono al robot di sopperire a tutta una serie di situazioni di difficile etichettatura.

• Rilevare la posizione del pallet: i sensori aiutano il robot a identificare la posizione precisa del pallet, garantendo che l’etichetta venga applicata correttamente anche se il pallet non è stato posizionato bene.
• Calcolare la forza necessaria per applicare l’etichetta: i sensori di coppia/forza misurano la forza necessaria per apporre l’etichetta sul pallet, evitando di danneggiare l’etichetta o il prodotto.
• Adattare la forza in base al materiale da etichettare: i sensori consentono al robot di regolare la forza di applicazione in base al materiale del pallet, garantendo una tenuta ottimale.

Per maggiori informazioni sul sistema IMPRONA contattaci o consulta la pagina dedicata: eurekasystem.it/improna-print-apply-labeling-system/