6. MECANISME PENTRU ROBOŢI Obiectivele lucrării:

1. Familiarizarea studenţilor cu mecanismele caracteristice roboţilor: mecanisme generatoare de traiectorie, mecanisme de orientare, mecanisme de prehensiune, mecanisme pentru locomoţie.

2. Analiza structurală a mecanismelor de prehensiune cu elemente rigide; analiza structurală a mecanismelor de prehensiune compliante acţionate de sârme din aliaje cu memoria formei.

3. Analiza structurală a unor platforme paralele. 4. Analiza cinematică a unor mecanisme păşitoare. 5. Analiza cinematică a sistemelor de orientare diferenţiale.

Echipamente / instrumente utilizate:

1. Roboţi şi mecanisme existente în dotarea laboratorului

Rezultate obţinute: 1. Identificarea elementelor şi cuplelor cinematice din mecanismele de prehensiune

cu elemente rigide; calculul gradului de mobilitate; schema cinematică, schema structurală.

2. Schema cinematică a mecanismului înlocuitor al unui mecanism de prehensiune compliant; calculul mobilităţii.

3. Identificarea elementelor şi cuplelor cinematice în mecanismele generatoare de traiectorie şi în platformele paralele; mobilitatea mecanismelor, inclusiv pentru platformele supraconstrânse.

4. Ecuaţii pentru analiza cinematică a mecanismelor păşitoare; folosirea principiului inversării mişcării.

5. Ecuaţii pentru analiza cinematică a sistemelor de orientare diferenţiale.

CONSIDERAŢII TEORETICE Definiţii Robotul este un sistem mecanic controlat automat, care asigură operaţii cum ar fi apucarea şi deplasarea obiectelor. Robotul mobil este robotul care este montat pe o platformă care se mişcă sub control automat. Robotul păşitor este un robot care asigură funcţii de locomoţie similar fiinţelor umane sau animalelor. Manipulatorul este un sistem mecanic folosit pentru apucarea şi mişcarea controlată a obiectelor. Pedipulatorul este un picior articulat al unei maşini păşitoare. Manipulatorul paralel este un manipulator care controlează mişcarea efectorului final cu ajutorul a cel puţin două lanţuri cinematice pornind de la efectorul final către bază. În Fig. 1 se prezintă o maşină păşitoare iar în Fig. 2 se prezintă mecanismul pentru păşire inventat de Cebîşev – „calul” lui Cebîşev (în macheta din Fig. 2 „calului” nu îi sunt ataşate “picioarele”).

Fig. 1

Fig. 2

Un robot prezintă următoarea structură: - sistemul mecanic, - sistemul de acţionare şi - sistemul de comandă.

Sistemul mecanic are funcţia de a deplasa obiectul de manipulat dintr-o poziţie în alta în spaţiu. Sistemul de acţionare se obţine prin transformarea cuplelor cinematice în cuple motoare – fie prin amplasarea motoarelor în cuplele cinematice, fie prin asocierea fiecărei cuple cinematice a unui motomecanism (mecanism motor mono sau policontur). Sistemul de comandă este acela care comandă operaţiile cu ajutorul calculatorului. Sistemul mecanic – se compune în general din trei mecanisme:

- mecanismul generator de traiectorii, - mecanismul de orientare şi - mecanismul de prehensiune (de apucare),

dar pot exista mecanisme care cumulează unele dintre funcţiile anterioare – de exemplu la platformele paralele. Un obiect de manipulat poate fi definit: printr-un punct caracteristic, o dreaptă caracteristică şi o altă dreaptă auxiliară, perpendiculară pe aceasta. Mecanismul generator de traiectorie este acel mecanism care deplasează punctul caracteristic (punctul M , Fig. 3) dintr-o poziţie în alta în spaţiu. În Fig. 3 se prezintă schema cinematică a unui mecanism generator de traiectorie.

1 2

3

A

B

CM

Fig. 3

Pentru a realiza deplasarea în spaţiu, mecanismul generator de traiectorie necesită minim trei cuple motoare (adică să realizeze 3 grade de libertate care definesc un punct în spaţiu), dar poate avea şi mai puţine sau mai multe. Mişcarea principală de rotaţie în jurul axei verticale se realizează electric, hidraulic sau pneumatic. În varianta electrică poate fi o transmisie prin curea, lanţ, prin angrenaje ordinare, prin reductoare planetare sau armonice. Mecanismul de orientare orientează obiectul de manipulat în jurul punctului caracteristic. Rotaţiile pot fi realizate fiecare de către un motor independent, sau pot exista relaţii de dependenţă între ele, în cazul în care se folosesc mecanisme diferenţiale (acele mecanisme care prezintă sateliţi, adică roţi dinţate cu axe mobile, sau altfel spus, cu mişcare compusă). În Fig. 4 se prezintă un mecanism de orientare cu gradul de mobilitate doi (mişcările de intrare sunt a , b ) , care asigură două mişcări de ieşire, I şi II .

Fig. 4

Relaţiile funcţionale dintre mărimile de intrare şi mărimile de ieşire se stabilesc folosind principiul inversării mişcării (suprapunerea efectelor), al lui Willis, în cazul lanţurilor cinematice care prezintă sateliţi. Mecanismul de ghidare reprezintă ansamblul format din mecanismul generator de traiectorie şi mecanismul de orientare. El are rolul de a deplasa obiectul de manipulat într-o poziţie dată în spaţiu. Există roboţi la care funcţiile mecanismului generator de traiectorie şi ale mecanismului de orientare sunt asigurate de un singur mecanism, simultan - adică mecanismul de ghidare nu poate fi descompus în cele două mecanisme amintite anterior. Acest caz se întâlneşte la platformele paralele.

În Fig. 5 se prezintă o platformă paralelă cu două lanţuri de legătură, care mai sunt numite şi „picioare”. În Fig. 6 se prezintă macheta unei platforme paralele cu trei lanţuri cinematice de legătură identice, iar în Fig. 7 se prezintă o înseriere de două astfel de platforme la care este ataşat şi mecanismul de prehensiune.

Fig. 5 Fig. 6 Fig. 7 Mecanismul de prehensiune are rolul de a solidariza obiectul de manipulat de ultimul element al mecanismului de ghidare, de a-l menţine un timp şi în final de a-l desface. Mecanisme de prehensiune pot fi plane sau spaţiale, cu elemente cinematice rigide tip bare, came sau roţi dinţate, sau cu elemente flexibile. În Fig. 8 se prezintă un mecanism de prehensiune compliant (flexibil) - donaţie Univ. Tehnică din Braunschweig, Germania-, care prezintă cuple cu flexuri şi poate fi acţionat de sârme din aliaje cu memoria formei, precum şi mecanismul echivalent al acestuia, realizat din elemente rigide.

Fig. 8

În Fig. 9 se prezintă schema cinematică a mecanismului echivalent al microgripperului compliant din Fig. 8.

Fig. 9

Cuplele cinematice de clasa a V-a sunt: A(0,1), B(1,2), C(2,3), D(0,3), E(3,4), F(4,5), G(5,0), H(5,6), L(6,7), K(7,0). Gradul de mobilitate se determină cu formula M=3n-2C5, unde: n - numărul de elemente mobile;

C5 – numărul cuplelor de clasa a V-a. n=7, C5=10 Se observă utilizarea mecanismelor paralelograme articulate ABCD şi GHLK în cazul în care se doreşte contactul pe o suprafaţă între obiectul de manipulat şi elementele finale ale gripperului; elementele 2 şi 6 au două translaţii în planul mişcării şi rămân paralele atât ele cât şi direcţiile lor succesive în timpul funcţionării. Se va realiza analiza structurală a unui mecanism de prehensiune format din elemente rigide, aflat în dotarea laboratorului.

1

2

3

4

5

6

7

A

BC

E

F

H

L

KD

G