Joint

• Detto anche: Robot Joint, Articulation
• Categoria: Mechanical structure › Arms & end-effectors
• Tag: hardware, kinematics, fundamentals, mechanics

Connessione mobile tra i segmenti di un robot che fornisce i gradi di libertà per il movimento.

Definizione

I giunti sono le connessioni mobili tra i segmenti rigidi di un robot e forniscono i gradi di libertà che rendono possibile il movimento. La capacità di movimento di ogni robot è definita dal numero, dal tipo e dalla disposizione dei suoi giunti.

I principali tipi di giunto in robotica sono: - Rotoidale (rotazionale): ruota attorno a un singolo asse, come il cardine di una porta. È il tipo di giunto più comune nei bracci robotici e fornisce un grado di libertà rotazionale. La maggior parte dei bracci robotici a 6 gradi di libertà usa sei giunti rotoidali. - Prismatico (lineare): scorre lungo un singolo asse, come un cassetto. Si usa nei robot a portale, negli attuatori lineari e nei meccanismi telescopici. Fornisce un grado di libertà traslazionale. - Sferico (a rotula): ruota contemporaneamente attorno a tre assi, come una spalla umana. Fornisce tre gradi di libertà rotazionali, ma è meccanicamente complesso e meno comune nei robot. - Cilindrico: combina rotazione e traslazione lungo lo stesso asse. Fornisce due gradi di libertà. - Fisso: nessun movimento, collega rigidamente due segmenti. Si usa nelle descrizioni dei robot (URDF) per fissare sensori, telecamere o altri componenti fissi.

Ogni giunto è azionato da un attuatore (motore) e monitorato da sensori (encoder) che riportano posizione, velocità e talvolta coppia. L'insieme di tutte le posizioni dei giunti in un dato istante si chiama configurazione o stato dei giunti del robot, e l'insieme di tutte le configurazioni possibili definisce lo spazio delle configurazioni (C-space).

I limiti dei giunti definiscono l'escursione fisica del movimento. I robot devono rispettare questi limiti durante la pianificazione del movimento per evitare danni meccanici. Le singolarità si presentano in certe configurazioni dei giunti in cui il robot perde un grado di libertà o richiede velocità dei giunti infinite.

Perché è importante

Un giunto è la connessione tra due segmenti che consente un moto relativo controllato, ed è l'unità con cui si contano le capacità di un robot. Ogni grado di libertà è un giunto, ogni voce della configurazione di un robot è il valore di un giunto, e ogni URDF è in sostanza un elenco di giunti. Il tipo di giunto (rotoidale, prismatico, continuo, fisso) determina la forma dell'area di lavoro e la matematica della cinematica, ed è per questo che è la prima cosa che si dichiara quando si descrive un robot.

Applicazioni principali

• Articolazione dei bracci robotici, dove ogni giunto rotoidale aggiunge un grado di libertà
• Assi prismatici nei portali, nelle tavole lineari e nei meccanismi telescopici
• Anche, ginocchia e caviglie dei robot con zampe
• Azionamento delle pinze, da un singolo giunto della ganascia alle mani a più dita
• Modellazione URDF e in simulazione, dove i giunti definiscono l'albero cinematico
• Pianificazione del movimento e controllo, che operano nello spazio dei giunti

In pratica

In un URDF ogni giunto indica un segmento padre e uno figlio, un asse e i limiti di posizione, velocità e sforzo. Quei limiti contano più di quanto si aspettino i principianti: un pianificatore rifiuta gli obiettivi che li violano, e una posa che sembra geometricamente raggiungibile viene spesso esclusa da un limite di giunto piuttosto che dalla geometria. Fisicamente il giunto è raramente solo un cuscinetto: è un attuatore, una trasmissione, un encoder e un fine corsa meccanico, e la differenza tra il giunto idealizzato del modello e l'assieme reale è proprio dove si annidano il gioco e la cedevolezza.

Idee sbagliate comuni

• Un giunto è un cardine passivo: in robotica di solito comprende attuazione, sensori e trasmissione
• I limiti dei giunti sono indicativi: delimitano l'area di lavoro raggiungibile e spesso spiegano perché una posa non è raggiungibile
• Tutti i giunti ruotano: i giunti prismatici scorrono, e un URDF usa anche giunti fissi per collegare parti che non si muovono
• L'angolo del giunto coincide con l'angolo dell'attuatore: tra i due ci sono ingranaggi e trasmissioni, e il gioco li separa ulteriormente

Chi dovrebbe saperlo

• Chiunque scriva o legga un URDF
• Ingegneri che specificano un braccio in base a un insieme di pose richieste
• Sviluppatori che indagano su obiettivi respinti perché irraggiungibili
• Studenti che studiano lo spazio delle configurazioni
• Chiunque stia indagando su un lasco o una cedevolezza in un asse specifico

Tecnologie correlate

• Riduttori armonici
• Riduttori cicloidali
• Encoder rotativi
• Servomotori e attuatori
• Convenzione di Denavit-Hartenberg
• Controllo nello spazio dei giunti e nello spazio operativo
• Giunti cedevoli e flessibili
• Sistemi di cuscinetti

Termini correlati

• DOF
• Actuator
• Inverse Kinematics
• Encoder

Progetti correlati

• MoveIt 2: Motion planning framework for ROS 2 robot arms, with kinematics and collision checking
• PyRoki: Modular Python toolkit for kinematic optimization across CPU, GPU, and TPU via JAX
• DART: C++ physics engine for articulated rigid body dynamics and robotics simulation
• IKPy: Pure-Python inverse kinematics library that builds chains straight from URDF
• frax: JAX library for fast, differentiable robot kinematics, dynamics and inverse kinematics
• pib: pib is an open-source 3D-printable humanoid robot designed for STEM education

Video

• Robot Mechanical Joints: YedaCenter