Roboti subiecte rezolvate1.Arhitectura MRI (structura mecanica, sistemul mecanic);Structura mecanica

Alcatuita in general din corpuri rigide (fara jocuri si elasticitate – cazul ideal), legate intre ele prin articulatii, formand lanturi cinematice.

In functie de modul de legare al corpurilor segmentelor componente, deosebim:

• manipulatoare cu lant cinematic simplu deschis

• roboti manipulatori cu structura arborescenta

• roboti manipulatori cu lant cinematic inchis

Partea din structura mecanica care serveste la apucarea si deplasarea obiectelor, se numeste dispozitiv de prehensiune sau efector.

Sistemul mecanic

Dispozitiv de prehensiune Dispozitiv de ghidare

o Mecanism generator de traiectorie o Mecanism de orientare

2.Mecanisme de orientare. Tipuri de articulatii, spatii de lucru;Mecanisme de orientare

• Cu miscari independente

• Cu miscari dependente

• Tip “trompa de elefant”

Cu miscari independente – au cate o unitate “motor rotativ + reductor + arbore de legatura” pentru fiecare cupla cinematica conducatoare, deci pentru fiecare miscare de executat.

Cu miscari dependente – miscarile se transmit de la motoare la elementele cuplelor cinematice conducatoare prin intermediul unui singur mecanism, de obicei un tren de roti dintate diferential. Exista o corelatie intre miscarile relative ale diferitelor cuple cinematice conducatoare.

Tip “trompa de elefant” – au constructia cea mai compacta si asigura cel mai mare unghi de serviciu, dar nu pot fi supuse la solicitari mari.

Tipuri de articulatii

Articulatiile asigura conexiunea elementelor fizice ale bratului robotizat.

Fiecare articulatie are un numar de grade de libertate.

Articulatiile prezente in cadrul mecanismului generator de traiectorie sunt cuple cinematice:

• de rotatie

• de translatie

Spatiul de lucru

Multimea pozitiilor pe care le poate ocupa punctul caracteristic

Tipuri de spatii de lucru

LINIAR - descris de punctul caracteristic al unui mecanism realizat din doua elemente unite intr-o singura cupla cinematica.

PLAN - descris de punctul caracteristic al unui mecanism realizat ca un lant cinematic din trei elemente unite prin doua cuple cinematice.

SPATIAL - descris prin intermediul unui mecanism spatial cu cel putin 3 grade de mobilitate.

3.Dispozitive de prehensiune (definitie, clasificare, exemple);ROL - solidarizeaza obiectul manipulat cu un element al dispozitivului generator de traiectorie

Fazele prehensiunii

• Imobilizare relativa (pozitionare) - Faza in care se realizeaza anularea gradelor de libertate ale obiectului in raport cu dispozitivul de prehensiune.

• Centrare - Faza care asigura ocuparea de catre un anumit element geometric al obiectului de manipulat, a unei pozitii univoc determinate fata de un sistem de referinta legat de dispozitivul generator de traiectorii.

• Fixare-defixare - Faza in decursul careia iau nastere reactiuni intre zonele de contact ale cuplei cinematice obiect-dispozitiv de prehensiune, care anuleaza torsorul fortelor externe de inertie ce actioneaza asupra obiectului.

Clasificare dispozitive de prehensiune

Sisteme cu actiune unilaterala (ventuza, magnetice) Sisteme cu actiune bilaterala - Prinderea prin presiunea a doua degete rigide Sisteme cu actiune multilaterala

4. Modelul geometric al MRI. Sisteme standard la nivelul bratului robotului;

Modelul geometric direct reprezinta in fapt o problema de geometrie statica pentru calculul pozitiei si orientarii efectorului robotului.

Date fiind variabilele articulatie qi (unghiuri pentru articulatii de rotatie si distante di pentru articulatii prismatice), modelul geometric direct rezolva problema calculului pozitiei si orientarii sistemului de coordonate legat de scula, relativ la sistemul de baza.

Modelul geometric invers

Daca pentru modelul geometric direct se punea problema gasirii pozitiei punctului caracteristic cunoscand variabilele articulatie, in acest caz, se doreste determinarea variabilelor articulatie impunand pozitia si orientarea efectorului robotului (de exemplu doresc ca efectorul sa urmareasca o traiectorie si caut sa aflu ce unghiuri vor trebui realizate in articulatii de catre sistemul de actionare).

• Toate sistemele cu articulatii de rotatie sau translatie, avand un total de 6 grade de libertate intr- un singur lant serial, sunt rezolvabile. Dar aceasta solutie generala este de tip numeric.

• O conditie suficienta pentru ca un manipulator cu 6 articulatii de rotatie sa aiba o solutie analitica este ca trei axe articulatie de rotatie, vecine, sa se intersecteze intr-un punct.

5.Modelul cinematic al MRI.Modelul cinematic

Problemele modelului geometric:

• neliniaritatea relatiilor {Xp,Yp,Zp}=f(qi), i=1,...,n

• cu acest model nu se pot controla vitezele de deplasare ale robotului manipulator

Modelul cinematic pune in relatie vitezele de rotatie si translatie ale punctului caracteristic in raport cu sistemul de baza.

Obtinerea modelului cinematic

Se obtine:

Interpretare fizica: relatia arata modul in care fiecare viteza dintr-o articulatie (spatiul articulatiilor) contribuie la viteza finala a manipulatorului in spatiul sarcinii (spatiu operational).

• J – matrice Jacobian;

6. Utilizarile matricei Jacobian.

1. Determinarea singularitatilor

Singularitatile sunt puncte in care robotul isi pierde un grad de libertate “instantaneu” => efectorul robotului nu se poate misca pe o directie.

2.Legatura cupluri articulatie – forte efector

3.Conducerea robotului

Problema conducerii: “Se dau variatii impuse ale coordonatelor operationale (pozitii si viteze ale efectorului) si se cer variatiile coordonatelor generalizate corespunzatoare (qi, dqi/dt).

7. Modelul dinamic al MRI.Modelele geometrice si cinematice pornesc de la premisa ca pentru orice configuratie obtinuta de robot este atinsa o stare de echilibru.

Aceste modele devin putin reprezentative la viteze si acceleratii mari, cand fortele de inertie, centrifugale si de cuplaj, capata marimi semnificative.

Modelul dinamic este reprezentat analitic printr-un sistem de ecuatii diferentiale care definesc legaturile care apar intre coordonatele generalizate “qi” si derivatele lor, si fortele care actioneaza asupra fiecarui element al configuratiei mecanice.

Forma finala a modelului dinamic:

M - matricea maselor elementelor robotului

V – vectorul termenilor centrifugali si Coriolis

G – matricea termenilor gravitatiei

q - vectorul variabilelor articulatie

τ – vectorul cuplurilor articulatie

8. Modelul dinamic al robotului planar cu 2 grade de libertate.

9. Sisteme de actionare cu motoare de CC ale MRI (desen scheme si explicatii);AVANTAJE:

-cupluri cvasiindependente de pozitia si viteza rotorului

- cuplurile depind numai de curentii in indus si inductor.

Daca se inlocuieste inductorul prin magneti permanenti, cuplul este aproximativ proportional cu curentul indus, iar viteza de rotatie nu depinde decat de tensiunea de alimentare.

DEZAVANTAJE:

- constante de timp mari

- capacitate mica de suprasarcina

- fiabilitate redusa datorita comutatiei mecanice

- caracteristici neliniare

Tipuri de motoare de CC utilizate in robotica

Elimina dezavantajul constantelor de timp mari:

- motor de CC cu rotor disc

- motor de CC cu rotor pahar

Cresterea fiabilitatii prin eliminarea comutatiei mecanice:

- motor de CC fara perii, cu indusul pe stator si comutatie electronica

10. Sisteme de actionare cu motoare pas cu pas ale MRI (desen scheme si explicatii) ;AVANTAJE:

- Nu necesita reactie pentru controlul unghiului de rotatie sau al vitezei

- timpul de raspuns al MPP este cel mai scurt

- fiabilitate ridicata

- asociate cu amplificatoare hidraulice de cuplu, al caror distribuitor este comandat de MPP, se pot obtine valori mari ale cuplului.

-Motorul are cuplu maxim la pornire – cand faza este alimentata

DEZAVANTAJE:

- Probleme de stabilitate in regimurile accelerare-decelerare (in special la viteze mari)

- cuplul este functie de pozitia rotorului

- pasul nu poate fi reglat, fiind cel realizat prin constructie.

Tipuri de MPP

a) MPP cu magneti permanenti

- In general au cost redus

- Rezolutie redusa cu unghiuri de pas in intervalul 7.50 – 150 (48-24 pasi/rotatie);

-cuplu mai bun decat MPP cu reluctanta variabila (polii magnetizati ai rotorului furnizeaza o intensitate mai mare a fluxului magnetic -> cuplu mai bun).

b)Cu reluctanta variabila

Contine rotor cu dinti din otel si stator cu infasurari.

Cind infasurarile statorului sint alimentate in CC polii sint magnetizati. Rotatia apare prin atractia exercitata asupra dintilor rotorului de catre polii statorului.

-60 pasi, -Pas unghiular 6o

C) Hibrid (HB)

Mai scump, dar ofera performante mai bune in privinta rezolutiei pasului, cuplu si viteza.

Unghiuri de pas tipice 3.6° la 0.9° (100 – 400 pasi /rotatie).

d) MPP liniare

11. Sisteme de actionare cu motoare pneumatice (desen scheme si explicatii);Utile in actionarea robotilor care lucreaza in medii explozive sau la operatii care nu necesita grad ridicat de precizie.

Avantaje:

– Ieftine, fiabile, greutate redusa, suporta suprasarcini;

– Posibilitati largi de reglaj;

– Nu au influenta poluanta asupra mediului; a->

– Se reduce din echipamentul de comanda.

Dezavantaje:

– Precizie redusa – compresibilitate agent;

– Viteza scazuta propagare semnale;

– Coroziune cilindri pneumatici;

– Randament redus.

a)Exemplu – modul de rotatie actionat pneumatic b->

b)Exemplu – schema de actionare pneumatica cu pozitionare incrementala, frinare si blocaj pneumatic

c)Exemplu – sistem pneumohidraulic de actionare cu pozitionare incrementala (K-coeficient de transformare, n- numar de incrementi, X1 - increment).

12. Sisteme de actionare cu motoare pneumatice (desen scheme si explicatii)Sisteme de actionare cu motoare hidraulice

Utile in actionarea robotilor care lucreaza in medii explozive si/sau trebuie sa manipuleze sarcini mari.

Avantaje:

– Robustete mare;

– Raport putere/greutate mare;

– Timp de raspuns bun;

– Siguranta in functionare;

– Comportare buna in medii umede, cu praf, etc.

Dezavantaje:

– La scaderea temperaturii creste viscozitatea

fluidului;

– Pot exista pierderi de fluid prin neetanseitati;

– Echipamentul de comanda are constructie

complicata.

A)Actionare hidraulica secventiala cu viteza maxima in ambele sensuri pp: a->

– 1 rezervor

– 2 filtre

– 3 pompa

– 4 supapa de siguranta

– 5 distribuitor cu sertare (SD 4/3 – 4 cai si 3 pozitii) b->

B)Actionare hidraulica secventiala cu viteza reglabila in ambele sensuri:

– 5 electromagneti pentru distribuitor cu sertare (SD 4/3 – 4 cai si 3 pozitii)

– 6- drosel; – 7 distribuitor SD 2/2

13. Sistemul senzorial al MRI (generalitati, clasificare);Sistemele de control ale robotilor bazate pe senzori pot depasi multe dificultati lagate de modele cu parametri variabili si conditii de mediu necunoscute, care ar limita domeniul de aplicatii al acestora. In prezent, se manifesta un interes deosebit in privinta cresterii inteligentei robotilor prin utilizarea sistemelor de senzori multipli, in special integrare senzoriala sau scheme de fuziune.

Clasificarea senzorilor utilizati in robotica

In cazul cel mai general, clasificarea tinind cont de locul de culegere a informatiilor si functia indeplinita se prezinta astfel:

1. Senzori interni (proprioceptivi) - furnizeaza date privind diferitele elemente componente ale robotului (pozitie, orientare, viteza, articulatii);

2. Senzori externi (exteroceptivi) - culeg date despre elementele din exteriorul robotului;

Functie de distanta de la care sunt culese informatiile putem avea si urmatoarea clasificare:

1. Senzori de contact - folositi pentru masurarea presiunii dintre obiect si dispozitivul de prehensiune, a alunecarii obiectului fata de dispozitivul de prehensiune, respectiv pentru determinarea proprietatilor fizice ale obiectului;

2. Senzori de zona apropiata (de proximitate) de tip optic, pneumatic sau electromagnetic, care dau informatii fara a avea contact fizic cu obiectul;

3. Senzori de zona indepartata, de tip acustic cu ultrasunete sau camera video, utilizati de roboti mobili pentru planificarea actiunilor.

Dupa proprietatile obiectelor pe care le pun in evidenta deosebim:

1. Senzori pentru determinarea formelor si dimensiunilor geometrice (de deplasare);

2. Senzori pentru determinarea proprietatilor fizice ale obiectelor (de efort, de cuplu, de densitate, de presiune, de debit etc.);

3.Senzori pentru determinarea proprietatilor fizice ale obiectelor (de concentratie, de compozitie, analize chimice);

Din punct de vedere constructiv:

1.Senzori activi (contin si emitator si receptor);

2.Senzori pasivi (format doar din receptor);

Dupa tipul semnalului furnizat la iesire:

1. Senzori analogici;

2. Senzori numerici.

14. Senzori interni utilizati la MRI (pozitie, forta, efort);Informatiile privind pozitia, viteza si acceleratia sunt obtinute prin sisteme de masurare specifice.

Senzori de pozitie

Aceste traductoare convertesc o deplasare a elementelor mobile intr-un semnal electric compatibil cu prelucrari numerice ulterioare.

Masurarea pozitei va fi realizata in doua etape, o contorizare a semipasilor p/2 urmata de o masurare a fazei semnalului in cadrul unui pas. Considerand o realizare tehnologica cu pasul "p" al riglei de ordinul milimetrilor, masurarea fazei determina obtinerea unei precizii pana la ordinul micronilor.

Senzori de viteza

Cunoasterea vitezei elementelor mobile ale unui robot este un factor extrem de important in realizarea unei legi de conducere corespunzatoare. Masurarea vitezei este obtinuta plecand de la premiza ca aceasta marime reprezinta variatii de distanta, pozitie, masurata la intervale egale de timp. Deci, masurarea vitezei se obtine din masurarea pozitiei . In mod curent, se utilizeaza doua procedee de calcul a vitezei, ambele derivand din masurarea incrementala a pozitiei: se masoara numarul de impulsuri ce reprezinta cuantele de deplasare parcurse intr-un interval de timp dat, sau se poate masura timpul necesar pentru obtinerea unui impuls de pozitie (increment).

Senzori de efort

In fapt acest tip de senzori pot fi prinsi in clasificarea abordata si in cadrul senzorilor pentru masurarea parametrilor externi, putand determina cantitativ fortele si momentele exercitate in zonele de contact. Se pot mentiona senzorii cu marci tensometrice al caror principiu de functionare este bazat pe efectul tensorezistiv de modificare a rezistentei unui conductor

Pentru masurarea fortelor de intindere, incovoiere sau torsiune se utilizeaza dispunerea marcilor tensometrice corespunzator efortului maxim.

15. Senzori externi tactili utilizati la MRI.Senzori tactili cu elastomeri

Un elastomer conductiv este un material ce contine trasee inguste conductive,fibre sau particule, care produc puncte de contact la aplicarea unei forte pe elastomer.Senzorii construiti din elastomeri conductivi sunt ieftini, usor de produs si bazati pe un principiu de masura simplu. Dar cu toate ca au fost testate un numar mare de materiale, o sensibilitate liniara buna, histerezisul mic si domeniul dinamic mare pot fi obtinute cu rabat in privinta proprietatilor de elasticitate a rezistentei la eroziune si implicit a duratei de viata.

Senzori tactili capacitivi

Masoara o forta aplicata prin detectarea modificarilor de distanta dintre doua armaturi paralele ale unui condensator. Cresterea fortei determina compresia materialului dielectric dintre armaturi, conducand la o crestere a capacitatii efective.

Senzori tactili optici

Senzorii tactili optici transforma o imagine a atingerii creata de un obiect intr- o imagine optica . Traductorul mecanic obtureaza, la apasare, o bariera de lumina intre doua elemente, unul emitator si unul receptor.

Senzori tactili piezoelectrici

Bazati pe efectul piezoelectric (polarizare electrica a unui material supus deformarii), au fost creati asfel de senzori tactili. In constructie se utilizeaza polimeri, Dario [5] dezvoltand un un senzor tactil avand o parte tip cablaj imprimat cu electrozi iar peste acesta, suprapus un film din polimer. La aparitia unei forte pe suprafata filmului, electrozii sesizeaza o valoare a tensiunii electrice.

Senzori tactili magnetorezistivi

Sesizeaza deformarea campului magnetic al magnetilor permanenti (figura 9) sub forma de foi, plasati la suprafata superioara a unui polimer elastic.

16. Senzori de proximitate utilizati la MRI.Senzori de proximitate inductivi

Un astfel de senzor (figura 10) cuprinde un oscilator LC de inalta frecventa (1 - 5MHz), un detector cu circuit magnetic trigger Schmidt si un amplificator, circuitul magnetic al oscilatorului fiind deschis. Daca o piesa metalica patrunde in campul creat de oscilator, in piesa apar curenti turbionari datorita energiei disipate de campul electromagnetic al oscilatorului, amplitudinea oscilatiilor scade, acest lucru fiind sesizat prin intermediul celorlalte elemente componente.

Senzori de proximitate capacitivi

Acest tip de sezori este utilizat in sesizarea apropierii de obiecte neferomagnetice. In prezenta unui obiect neferomagnetic se se modifica capacitatea unui condensator dintr-un circuit oscilant, determinand incetarea oscilatiilor, acest lucru fiind sesizat.

Senzori cu fibra optica

Cuprind un circuit emitator (fotodioda) si un circuit de modulare si unul receptor (fototranzistor), fasciculele optice de emisie si receptie fiind ghidate de doua fibre optice coplanare distantate intre ele si inclinate cu un unghi pentru a permite sesizarea obiectelor.

17. Senzori la distanta utilizati la MRISenzori cu ultrasunete

Ultrasunetele (unde acustice cu frecventa de aproximativ 15kHz) avand proprietatea de a se propaga rectiliniu si coerent pana la obiectele mediului inconjurator, au dus la constructia unui senzor ce le utilizeaza, alcatuit (figura 11) dintr-un emitator generand un semnal electric, transformat in semnal acustic de catre un traductor electrostatic si receptionat, dupa reflexie, de obstacol.

Senzori optici

Acest tip de senzori comporta un sistem de masura a timpului in care lumina parcurge distanta intre un emitator si un receptor. In principiu o sursa emite un fascicol de lumina catre suprafata de masurat. Lumina este transmisa difuz catre un sistem de detectie, sesizor al asa numitului domeniu triunghiular. In figura 12 este prezentat un asfel de senzor, implicand masurarea tip triunghi.

Senzori vizuali

Reprezinta actualmente unul dintre elementele cele mai complexe ale sistemului senzorial, avand in vedere si lantul de prelucrare a informatiei preluate de senzorul propriu-zis.

In general, senzorii vizuali pot fi impartiti in doua categorii: pasivi si activi. Impartirea depinde de sursa iluminarii, senzorii din ultima categorie avand aceasta sursa ca parte integranta. Putem exemplifica, pentru prima categorie, camerele de luat vederi, in timp ce scanerele laser fac parte din cea de-a doua. O problema importanta, de care trebuie sa tinem seama, este reprezentata de modul de aranjare al acestor senzori. Daca piesa, asupra careia se intentioneaza a se lucra are o miscare in plan, axa camerei de luat vederi trebuie sa fie normala la plan.

18. Dotarea cu senzori a robotilor seriali si paraleli;Pentru un astfel de robot, daca ne-am limita doar la dotarea cu senzori tip incremental in articulatii, efectorul ar urma o traiectorie din spatiul de lucru fara a avea nici o reactie utilizata in control. Aceasta

situatie ar impune severe limitari ale sarcinilor ce le-ar putea realiza si ar creste pretul elementelor senzoriale fixate in exterior pentru localizarea obiectelor.

Deci, printr-o dotare corespunzatoare cu senzori, robotii pot avea o "comportare adaptiva", in prezent avand mult succes sistemele multisenzor.In figura 14 se prezinta un sistem multisenzorial pe o structura de robot serial.

21.Structuri îmbunătățite de reglare cu PID

-se poate modifica mergâng cu componenta derivată

22.Exemplu: sinteza regulatorului pentru sistemde ordin I

Fie intrarea U(s)=1

Cu cât polul este avansat mai spre stânga,cu atât mai rapid e raspunsul.

23.Exemplu: sinteza regulatorului pentru sisteme de ordin II cu componentă aperiodică

24.Exemplu: sinteza registrului pentru sistem de ordin II cu comportare oscilantă

Poli cu parte reala=0;

25.Controlul în sisteme liniare;neliniarizarea prin reacție neliniară.

Mișcări impuse în spațiul de operare:

-traiectorii cu punct inițial și final fix

-mișcări cu restricție pe întreaga traiectorie

Sistem tip robot

26.Controlul MRI.Legea de control al cuplului calculat