8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

1/23

Capitolul 1

INTRODUCERE

N PROBLEMATICASISTEMELOR DE CONDUCERE

Robotul industrial reprezint n momentul de fa punctul de intersecie alrezultatelor de vrf ntr-o serie de domenii: mecanic, automatic, calculatoare isisteme de acionare. Aceast congruent a unor ramuri tiinifice i tehnologiceatt de diferite se explic prin complexitatea deosebit a robotului, att sub raportul

arhitecturii mecanice, ct i n ceea ce privete sistemul de conducere.Propriu-zis, robotul este rezultatul firesc al evoluiei de la mainile unelteautomatizate, mainile cu comand program, liniile automate de fabricaie etc. nmomentul n care rigiditatea i inflexibilitatea acestora nu a mai corespunscerinelor actuale de productivitate i calitate, iar omul a ncercat s execute aciunidirecte, nemijlocite asupra proceselor cptnd un rol de supraveghere i control.

Deci robotul, ca rezultat al acestor dezvoltri tehnico - tiinifice, poate fidefinit ca un sistem tehnologic capabil s nlocuiasc sau s asiste omul nexercitarea unor aciuni diverse asupra mainilor sau liniilor de producie.

n acest context, apare evident complexitatea problemelor privind attconstrucia i acionarea roboilor ct i, n special, conducerea lor.

1.1. Componentele fundamentale ale sistemului robot

Privit n toat complexitatea sa, un sistem robotic cuprinde urmtoarelecomponente (figura 1.1) [1, 38]:

a) spaiul de operare;

b) sursa de energie

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

2/23

Roboi industriali

c) sursa de informaied) robotul.

Figura 1.1

Spaiul de operare al unui robot este strns legat de domeniul de lucru alacestuia, de gama aplicaiilor la care particip. Acest spaiu este definit direct de

parametrii arhitecturii mecanice a robotului i este restricionat pe de o parte deanumite caracteristici ale elementelor interne, mecanice, i pe de alt parte decaracteristicile obiectelor implicate n procesul tehnologic.

Sursa de energie constituie suportul energetic necesar pentru punerea nmicare att a elementelor mobile ale robotului ct i pentru asigurarea alimentrii

electrice a sistemului de acionare i a celui de conducere.Sursa de informaie definete modul de operare al robotului, caracteristicile

de baz ale funcionrii acestuia, structura algoritmilor de conducere n funcie despecificul operaiei, de modul de prelucrare a informaiei de baz (n timp real saunu) i de relaia robot - operator existent n procesul de operare. Aceast relaie

poate determina funcionarea automat, independent, a robotului sau n asocierecu operatorul (de exemplu sistemele de teleoperare).

Robotul, componenta de baz a acestui sistem, este format din dou pri:

unitatea de prelucrare a informaiei i unitatea operaional.

12

Unitate de prelucrare

a informaiilor

(calculator)

instruciuniinterne

msurtori

interne

Sursa deinformaie Sursa de energie

ROBOTInstruciuni

externe

Unitate operaional

(structur mecanic +

sistem de acionare)

Spaiu de operare

observaiiaciuniexterne

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

3/23

Capitolul 1.Inroducere n problematica sistemelor de conducere

Unitatea de prelucrare a informaiei este un complex hardware-software ce primete date privind instruciunile ce definesc operaiile executate, msurtori privind starea unitii operaionale, observaii asupra spaiului de operare al

robotului, date pe baza crora determin n conformitate cu algoritmii de conducerestabilii, deciziile privind modalitatea de acionare a unitii operaionale etc.

Unitatea operaional corespunde robotului propriu-zis cuprinznd structuramecanic a acestuia i sistemul de acionare asociat. Aceast unitate acioneazasupra spaiului de operare utiliznd i transformnd energia furnizat de surs ireacionnd adecvat la semnalele primite din exterior. n componena robotuluidistingem: elementele care interacioneaz direct cu spaiul de operare (elementeleefectoare, gripere sau mini), componente de structur (articulaii, segmente),modulatoare de energie (amplificatoare), convertoare de energie (motoare), sisteme

de transmisie a energiei mecanice i senzori interni.

16

ROBOT

ROBOT

Camer TV

UPI

UPI

Unitate deprelucrare a

informaiei (UPI)

Mainunealt

a

Senzortactil

ROBOTb

c

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

4/23

Roboi industriali

Figura 1.2Robotul acioneaz asupra spaiului su de operare sub diverse forme:

deplasarea unor piese n anumite poziii (manipulare), prelucrarea i transformarea

unor produse, asamblarea unor componente, dezasamblarea unor piese ncomponentele lor, sudarea pieselor, msurarea unor parametrii specifici ai

produselor sau chiar a spaiului de operare etc. n figura 1.2 sunt prezentate ctevadin aceste operaii [39, 62], operaia de manipulare a unor piese pentru o prelucrareulterioar la o main unealt (figura 1.2, a), operaia de vopsire (figura 1.2, b) ioperaii de asamblare (figura 1.2, c).

Numeroasele aplicaii i funciuni exercitate de un robot pun n evidendou caracteristici eseniale ale acestor sisteme: versatilitatea i autoadaptarea lamediu.

Versatilitatea definete capacitatea fizic a robotului de a realiza diversefuncii i de a produce diverse aciuni n cadrul unei aplicaii tehnologice date.Aceast proprietate este strns legat de structura i capacitatea mecanic arobotului, ea implicnd configuraii mecanice cu geometrie variabil a crorflexibilitate s acopere cerinele de operare.

Autoadaptarea constituie, de asemenea, o proprietate deosebit de importanta roboilor ce confirm gradul de inteligen al acestor sisteme. Ea definetecapacitatea acestora de a lua iniiativa n realizarea unor operaii incomplet

specificate prin programul de conducere, proprietatea de a sesiza anumitemodificri ale mediului de operare, posibilitatea de a stabili un plan complet deoperaii avnd jalonate numai anumite faze semnificative etc.

1.2. Componentele fundamentale ale structurii mecanice

Roboii industriali utilizai n momentul de fa prezint soluii constructivei conceptuale neunitare datorit, n special, diversitii sarcinilor cerute,

parametrilor tehnici impui i aplicaiilor specifice pentru care au fost proiectai.

Cu toat aceast aparent neunitate, robotul prin structura sa mecanic poate ficonsiderat ca un sistem omogen format din elemente cu funcii bine precizate careasigur interaciunea nemijlocit ntre robot i obiectul aciunii sale din spaiul deoperare.

Principalele componente ale structurii mecanice sunt: elementul efector,braul i baza robotului

Elementul efector denumit uneori i griper, element de prehensiune, mnsau pur i simplu element terminal asigur contactul direct, nemijlocit dintre roboti obiectul din spaiul de operare asupra cruia acioneaz. Acest element diferconstructiv dup gama aplicaiilor i dup natura funciei realizate. Astfel,

14

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

5/23

Capitolul 1.Inroducere n problematica sistemelor de conducere

elementele efectoare utilizate n sudur difer de cele folosite n operaiile demanipulare sau de vopsire.

Un astfel de element cuprinde:

corpul propriu-zis, cu o structur mecanic adecvat funciei realizate; unul sau mai multe dispozitive de acionare; unul sau mai muli senzori pentru determinarea regimurilor critice ale

operaiei realizate.Trebuie remarcat faptul c soluiile constructive adoptate tind spre realizarea

fie a unui element multifuncional cu o gam larg de aplicaii, fie spre un elementefector monofuncional cu o destinaie precis.

Braul robotului servete pentru poziionarea corect a elementului efector.n acest scop, braul reprezint o structur mecanic cu o geometrie variabilobinut prin legarea n cascad a unor segmente conectate prin articulaii de rotaiesau translaie. Sistemele de acionare corespunztoare asigur micrileindependente ale fiecrui segment n raport cu segmentul precedent. Aceste micrisunt n general restricionate de anumite caracteristici ale arhitecturii mecanice.

Toate aceste elemente i subansamble se monteaz pe un cadru special ceformeaz baza robotului. Aceast baz se aeaz fie pe un postament fix sau mobil(n funcie de tipul robotului), fie se suspend pe o cale de ghidare cu in.

Elementele enumerate formeaz structura de baz a oricrui robot industrial.

n afar de aceast structur clasic, n construcia roboilor pot apare sisteme delocomoie, sisteme cu 2-3 brae, sisteme cu 2-3 elemente efectoare etc.

1.3. Robotul obiect de conducere

Roboii, prin structura i funciile lor reprezint o clas de sisteme cesintetizeaz elemente de vrf dintr-o serie de domenii tehnico - tiinifice. De fapt,

prin atribuiile sale robotul imit sau substituie funciile de locomoie, manipularei de intelect ale omului. Este evident, deci, c robotul reprezint un sistem extrem

de complex, descris prin modele matematice sofisticate definite prin sisteme deecuaii difereniale neliniare, cu parametrii variabili, deterministe sau stohastice,cuprinznd un numr mare de variabile de intrare i ieire.

Funcia de baz a robotului este reprezentat de micarea acestuia n spaiu,deci regimurile statice i dinamice ale structurii mecanice vor reprezenta punctul de

plecare n definirea robotului ca obiect de conducere.Pentru exemplificare, s considerm un robot cu trei articulaii de rotaie

(figura 1.3). Micarea, evoluia robotului, este determinat de cele trei momente

M1, M2, M3 aplicate n articulaii, acestea determinnd rotirea segmentelor

16

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

6/23

Roboi industriali

corespunztoare i deci obinerea unei noi poziii a braului, poziie definit prinnoile valori ale unghiurilor q1, q2, q3.

Figura 1.3

Considerat, deci, ca obiect orientat de conducere, robotul primete un vectorde intrare definit de forele generalizate aplicate n articulaii i genereaz un vectorde ieire format din unghiurile (saudeplasrile) articulaiilor.

Analiza ca obiect condus impune, totodat, definirea vectorului de stare alrobotului. n general, acest vector este determinat de coordonatele generalizatestabilite n articulaii (unghiuri sau deplasri) i de derivatele acestora (vitezelegeneralizate ale micrii). Relaiile intrare stare ieire specifice robotului suntdate prin ecuaii difereniale, neliniare, obinute pe baza regimurilor dinamice ale

acestuia. Deducerea acestor ecuaii i analiza cantitativ i calitativ a micrii vorconstitui obiectul capitolelor urmtoare ale lucrrii.

Reprezentarea din figura 1.3 corespunde unei descrieri formale a robotuluica obiect condus fr a preciza implicaiile tehnologice ale structurii de conducere.

16

R

M1

M2

M3

q1

q2

q3M

1

M2

M3

q1

q2

q3

Interfaintrare

M1

M2

q1 q2 q3

Bloc senzorial

Bloc deacionareInterfa

ieire M3

Informaiisenzoriale

externe

calculator Spaiu de

operare

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

7/23

Capitolul 1.Inroducere n problematica sistemelor de conducere

Figura 1.4n figura 1.4 sunt prezentate soluii constructive privind principalele blocuri

ale unui astfel de sistem. Se observ c variabilele principale ce intervin n

conducerea robotului sunt generate sau prelucrate n blocuri i componentespecializate. Astfel, activarea articulaiilor mecanice este realizat prin intermediul

blocului de acionare care, pe de o parte determin algoritmul de control pentrufiecare articulaie, iar pe de alt parte asigur sursa energetic necesar micrii.

Msurarea informaiilor de deplasare precum i toate celelalte date carerestricioneaz micarea n spaiul de operare este realizat ntr-un bloc senzorial.El este format practic din sisteme de traductoare specializate pentru msurtoriunghiulare sau liniare precum i din senzori specializai de tip tactil, de for -moment sau vizuali care ofer robotului o mai complet adaptabilitatea la

modificrile mediului de operare.Informaiile furnizate sunt captate de un calculator specializat care, pe baza

unor algoritmi implementai hardware (microprogramai) sau software, genereazcontrolul adecvat al sistemului de acionare.

1.4. Sistem de conducere - sistem ierarhic

Structura de conducere al unui robot este o structur ierarhic. Acest

principiu de conducere este datorat complexitii deosebite a sistemelor ce intr ncomponena robotului i a dificultilor create de sarcinile de operare impuse.Organizarea ierarhic a sistemelor de control pentru roboi este de tip

vertical, fiecare nivel ierarhic acoperind nivelul inferior sub raportul problemelorde conducere abordate. Un nivel de control comunic cu nivelul imediat inferior

prin instruciuni de control i primete de la acesta informaii caracteristice care,mpreun cu deciziile furnizate de nivelul imediat superior, i permit s stabileascstrategia viitoare de aciune.

n general sistemele robot cuprind un numr variabil de nivele ierarhice n

funcie de complexitatea i gradul de "inteligen" al sistemului de conducereutilizat.

Nivelul ierarhic superior l reprezint la roboi, ca i la alte sisteme complexede conducere, operatorul uman. Acesta comunic cu sistemul de conducere subdiverse moduri, intervenind periodic numai n cazul schimbrii unor direciistrategice de conducere, situaii de avarie sau n cazul apariiei unor perturbaiiexterne neprevzute.

Sistemul de conducere propriu-zis cuprinde patru nivele ierarhice. Nivelulcel mai nalt corespunde sistemelor ce au posibilitatea recunoaterii obstacolelor nspaiul de operare i permite luarea unor decizii adecvate la schimbarea condiiilor

16

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

8/23

Roboi industriali

de lucru. Nivelul imediat inferior este denumit nivel strategic n care se producedefalcarea operaiei preconizate n operaii elementare. Nivelul urmtor estedenumit nivel tactic, n el producndu-se distribuirea micrilor elementare n

micarea pe fiecare grad de libertate, deci, n cadrul su generndu-se efectivtraiectoriile de micare. Ultimul nivel, nivelul inferior, este nivelul executiv, acestacoordonnd funcionarea diverselor sisteme de acionare asociate gradelor de

libertate ale robotului.Figura 1.5

18

A

ROBOT

SPAIU DE OPERARE

AA

ProgrameIntroducere date

PrelucrareIeiri date

ProgrameIntroducere date

Prelucrare

Ieiri date

Introducere datePrelucrareIeiri date

Introducere datePrelucrareIeiri date

Nivel zero(operator)

Nivel 1(recunoatere

obiecte)

Nivel 2

(strategic)

Nivel 3(tactic)

Nivel 4(executiv)

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

9/23

Capitolul 1.Inroducere n problematica sistemelor de conducere

Aceste patru nivele ierarhice sunt ntlnite evident la roboii cu o organizaresuperioar care aparin generaiilor 2 sau 3. Roboii sau manipulatoarele industrialeuzuale ( generaia 1) au sisteme de conducere cu numai dou nivele ierarhice,

nivelele inferioare.

1.5. Cerinele sistemului de conducere

a) Generarea traiectoriilor pentru realizarea unei micri impuse.Un robot, indiferent de destinaia sa, trebuie s execute o micare bine

determinat n cadrul creia elementul terminal (mna) evolueaz pe o curbimpus ntr-un sistem de referin dat. Evident, c aceast micare trebuie corelatcu o unitate de timp, orice aplicaie tehnologic la care este solicitat un robot fiindstrns condiionat de o variabil temporal.

O curb, definit n spaiul de operare al robotului, creia i se asociaz ovariabil de timp este numit n mod curent traiectorie.

Figura 1.6

Precizarea traiectoriei de micare reprezint un element esenial pentruasigurarea unor performane corespunztoare. Aceasta nseamn, de fapt, stabilireaunei legturi biunivoce ntre fiecare punct de pe curba micrii i momente de timp

bine-precizate, deci practic cunoaterea n fiecare punct a vitezei i acceleraieimicrii. Alegerea traiectoriei de micare depinde de o serie de factori dintre carese pot cita: tipul aplicaiei robotizate, restriciile existente n spaiul de operare,caracteristicile mecanice ale robotului etc. n figura 1.6 sunt prezentate doutraiectorii ntre punctele iniiale Pi i finale Pf impuse. n primul caz, evoluia poatefi realizat pe orice traiectorie ntre cele dou puncte, n al doilea caz, o zon de

16

a bx

P0

(t0)

z z

yy P0

(t0)

Pf

(tf)

Pf

(tf)RESTRICII

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

10/23

Roboi industriali

restricii delimiteaz spaiul de operare admis. Determinarea traiectoriei micrii,deci determinarea succesiunii n timp a poziiilor, vitezelor i acceleraiilor pentrufiecare element al structurii mecanice constituie aa-numita problem direct de

conducere.

Figura 1.7

n figura 1.7 este prezentat aceast problem pentru un manipulator ipoteticcu dou grade de libertate ce evolueaz n planul YOZ. Sunt precizate poziiile

unghiulare q1 , q2 n cteva puncte din traiectorie precum i distribuiile vitezelor iacceleraiilor pe intervalul micri.O a doua problem ce deriv direct din problema direct se refer la

determinarea valorilor forelor i momentelor, pe fiecare articulaie, astfel nctstructura mecanic s realizeze traiectoria dorit. Acest calcul al forelor imomentelor din coordonatele poziiilor i vitezelor constituie problema invers deconducere i reprezint o sarcin de baz a nivelului tactic n sistemul deconducere al roboilor.

n contextul existenei unei structuri ierarhizate de conducere, implementarea

unei traiectorii se poate realiza n dou moduri: la nivelul inferior n care sistemulde comand primete amnunit datele privitoare la poziia, viteza i acceleraia norice moment i la nivel superior n care se utilizeaz un limbaj de nivel nalt, de

programare, datele introduse reprezentnd o descriere sumar a caracteristicilortraiectoriilor. Prima variant numit i programare explicit presupune cunoatereaamnunit de ctre operator (programator) a ntregului sistem robot - spaiu deoperare, ceea ce nu este ntotdeauna posibil. A doua variant introduce facilitievidente n munca de programare dar presupune existena unor structuri decomand de nivel nalt.

20

q1y

z

(tj)

(t0)

tf

Pi

Pj

Pf

1

1

t0

t0

tf

tf

timp

timp

q2

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

11/23

Capitolul 1.Inroducere n problematica sistemelor de conducere

n unele cazuri, complexitatea operaiilor realizate face extrem de dificilprogramarea explicit i cu totul nepractic programarea la nivel nalt. n acestesituaii se prefer aa-numita programare prin instruire. Robotul execut

micarea dorit sub controlul direct al operatorului (comanda manual), insuete, nva, parametrii micrii i repet, ulterior, aceast micare n cadrulexecuiei normale. Aceast tehnic este extrem de mult utilizat datorit, n primulrnd, simplitii procedurii i, n al doilea rnd, datorit cerinelor reduse impuseechipamentului de conducere.

b) conducerea n circuit nchis

Discuia de mai sus a pus n eviden problema programrii unei traiectoriicompatibile cu obiectivul propus ca o condiie necesar pentru executarea funciei

impuse robotului. Sistemul generator de traiectorie va furniza deci robotuluisuccesiunea de variabile de poziie, vitez i acceleraie care asigur regimurile demicare corespunztoare. Din nefericire, condiiile reale n care opereaz un robotfac ca generarea unei traiectorii corecte s nu reprezinte o condiie suficient pentruasigurarea performanelor dorite. Cauzele sunt multiple i ele rezid n principal n:

perturbaiile imprevizibile n mediul de operare, n imprecizia modelelor utilizate,limitri ale preciziei de calcul, efecte mecanice de vibraii i frecare etc. Toateaceste elemente pot perturba considerabil i pot determina o alterare substanial a

regimurilor de lucru. Formal, aceste dificulti pot fi depite prin utilizarea uneistructuri de reglare a micrii n bucl nchis (figura 1.8)

Figura 1.8

Informaia de deplasare, primit de la un sistem de traductoarecorespunztor, este comparat cu valorile prescrise impuse de generatorul de

16

Generatorde

traiectorii

Sistem dereglare

Acionare n

Acionare 1Acionare 2

Articulaie n

Articulaie 1Articulaie 2

n

12

--

--

Eroare

Structur mecanic

Bloc traductoare

q

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

12/23

Roboi industriali

traiectorii, eroarea rezultat servind ca mrime de intrare ntr-un sistem de reglarece asigur corectarea abaterilor de traiectorie i totodat regimuri tranzitorii istaionare corespunztoare. Sistemul de reglare este unic pentru ntregul sistem de

conducere, ieirile acestuia activnd blocurile de acionare ale fiecrei articulaiimecanice. O astfel de structur de comand este denumit structur centralizat iea impune existena unui calculator suficient de puternic pentru implementarealegilor de reglare la nivelul ntregii structuri mecanice.

O soluie frecvent utilizat n majoritatea roboilor industriali esteconducerea descentralizat a micrii (figura 1.9) n care legea de reglare estecaracteristic fiecrei articulaii, separat pe fiecare grad de libertate, influenacelorlalte elemente din structura mecanic reprezentnd efecte perturbatoare.

Figura 1.9

Un astfel de sistem de conducere este, de cele mai multe ori, preferabildatorit simplitii algoritmilor de reglare i, deci, implicit datorit necesitilorrelativ modeste de resurse hardware.

c) Conducerea micrii n contact direct cu obiectele (conducereacompliant )

O caracteristic deosebit a operrii unui robot este micarea acestuia ncontact nemijlocit cu suprafaa obiectelor. O astfel de micare apare n operaiile de

asamblare, ntr-o serie de operaii de prelucrare tehnologic, sudur etc.

22

Sistem dereglare 1

2Generator detraiectorii 1

2n

n

Articulaie 1

Acionare n

Acionare 2

Acionare 1

Articulaie n

Articulaie 2--

-

Structur mecanic

21

n

Bloc de traductoare

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

13/23

Capitolul 1.Inroducere n problematica sistemelor de conducere

ntr-o astfel de micare, controlul traiectoriei prin msurarea poziiilor estenepractic i, de cele mai multe ori, eronat datorit impreciziei n determinareaexact a ecuaiilor suprafeei de contact. Din acest motiv, controlul traiectoriei este

realizat prin msurarea forei de apsare pe suprafaa obiectului.Pentru exemplificare, s considerm manipulatorul din figura 1.10a ce

execut deplasarea unui obiect din punctul A n punctul B de-a lungul suprafeei S.Controlul se poate realiza prin definirea unei traiectorii paralele cu suprafaa iutilizarea unor legi de micare corespunztoare dar este evident c n cazul unordenivelri accidentale ale unei suprafeei micarea dorit nu mai poate fi realizat.

Figura 1.10

n acest caz, se prefer introducerea, pe lng bucla de control a micrii, aunei bucle de reglare a forei de apsare dintre robot i suprafaa (figura 1.10b).Aceast bucl preia sarcinile de control pe baza informaiilor furnizate de untraductor de for montat pe mna robotului. Trebuie subliniat faptul c o astfel destructur de comand presupune existena unui sistem de conducere de nivelsuperior capabil s impun trecerea de la o bucl de control la alta n conformitatecu specificaiile problemei de conducere.

1.6. Structura informaional a sistemelor de conducere

Sarcinile care stau n faa unui sistem de conducere determin o mprire ainformaiilor de lucru n dou clase, pe de o parte informaii ce asigur regimul demicare dorit i pe de alt parte informaii ce acoper funcia tehnologic impusrobotului. n figura 1.11, ramura din stnga corespunde informaiilor de micare.Programele de micare cuprind elemente de baz ale algoritmilor de micare ce

calculeaz ntre anumite puncte, prin tehnici de interpolare, traiectoria robotului.

16

Lege dereglare

Element deexecuie Articulaie

Traductorde for

Fd +

-Fr

F

b

traiectorieSuprafa decontact

Fd

S BA

ba

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

14/23

Roboi industriali

Informaia rezultat este defalcat pe axele de micare i servete careferin n acionarea efectiv a braului mecanic. Acest traseu informaional este

prevzut cu 4 ci de reacie. Reacia de tip este o reacie obinut prin construcie

mecanic i nu afecteaz procesul de control al micrii [40, 41].

Figura 1.11

Reacia asigur coreciile necesare pentru meninerea robotului pe

traiectorie. Informaia respectiv este obinut de la traductoarele de deplasaremontate pe fiecare articulaie. Calea de reacie asigur modificri cantitative icalitative n programele de micare. Aceste modificri sunt determinate deinformaiile furnizate de un sistem senzorial adecvat care identific modificri nstructura spaiului de operare (schimbarea poziiei obiectelor, apariia unorobstacole etc.) Reacia determin o gestionare intern (proprie) a programelor deconducere n funcie de modificrile survenite n procesul tehnologic i eventual ncomportarea robotului.

24

PROGRAMEDE

CONDUCERE

PROGRAME

DE MICARE

CONTROLFUNCIE TEHNOLOGIC

PROGRAMEFUNCII TEHNOLOGICE

STRUCTUR MECANIC{BRA+LOCOMOIE}

ELEMENTE TERMINALE

{GRIPER + DISPOZITIV TEHNOLOGIC}

PROCES TEHNOLOGIC

REGLAREMICARE

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

15/23

Capitolul 1.Inroducere n problematica sistemelor de conducere

Ramura din dreapta a fluxului informaional (figura 1.11) corespundeinformaiilor ce activeaz elementele terminale, sistemul efector i dispozitivele de

prelucrare tehnologic.

Figura 1.12

n figura 1.12 sunt prezentate detaliat blocurile componente ce intervin n prelucrarea informaional ce nsoete procesul de conducere al unui robot.

Legturile externe ale sistemului sunt realizate sub forma unui dialog ctreun operator local sau ctre un calculator ce supervizeaz sistemul. Prin aceste douinterfee se obine practic o gestiune adecvat a sistemului de programe. Programulde conducere selectat determin cele dou funcii: de micare i de operaretehnologic, fiecare din acestea fiind realizate prin bucle de control proprii.

1.7 Structura programelor de conducere

16

operator

Interfa dedialogare

Sistem deprograme

Interfasistemsenzorial

Controlulmicrii

Program conducere

Controlul funcieitehnologice

Interfa

calculatorcentral

Calculatorcentral

Regulator de micare

Traductoarede deplasare

Sistemcinematic

Sistemcinematic

Sistem deacionare Senzori

Elementeefectoare

Dispozitivde acionare

PROCES TEHNOLOGIC

ROBOT

SISTEM DE CONDUCERE

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

16/23

Roboi industriali

Organizarea programelor de conducere reprezint un aspect foarte importantn sistemele de conducere ale roboilor, de aceasta depinznd n mare msur

performanele realizate i complexitatea soluiilor hardware adoptate.Cea mai simpl modalitate de realizare a programelor este bazat pe

exploatarea secvenial a blocurilor componente n cadrul unei structuri fixe, delungime constant (figura 1.13) [62].

Fiecare bloc de informaie conine ansamblul de date ce definete o anumitcomand. Succesiunea de comenzi, ntr-o ordine bine precizat, determin ooperaie tehnologic complet a robotului.

Figura 1.13

Explorarea blocurilor este realizat de un registru distribuitor incremental lasfritul fiecrei secvene tehnologice (o secven tehnologic reprezint efectulobinut prin exercitarea unei singure comenzi).

O modalitate superioar de conducere este obinut prin structurile variabilede programe (figura 1.14). n acest caz, trecerea de la o comand la alta esterealizat ntr-o manier adaptiv, pe baza deciziilor furnizate de ultimul bloc dedate i pe baza informaiilor furnizate de sistemul senzorial al robotului, deci pe

baza ultimelor rezultate obinute din spaiul de operare al acestuia. O astfel de

structur confer sistemului de conducere o elasticitate ridicat, o flexibilitatesporit la orice modificri ale parametrilor robotului sau mediului de lucru.

26

Sistem de controlal robotului

Bloc 2

Bloc 1

Bloc N-1

END

Registrudistribuitor

ROBOTSemnal de incrementare

PROCESOR

Reset

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

17/23

Capitolul 1.Inroducere n problematica sistemelor de conducere

Figura 1.14

1.8. Implementri tehnologice ale sistemelor deconducere

Complexitatea sistemului de conducere i gradul de dificultate al operaiilorexecutate determin adoptarea unor tehnologii specifice de implementare a legilorde conducere.

Soluiile oferite de majoritatea roboilor i manipulatoarelor industriale pot figrupate n dou clase: implementri n logic cablat i implementri n logic

flexibil (programat). Prima clas este reprezentativ pentru acele tipuri de roboisecveniali i manipulatoare care au sisteme de conducere cu cel mult dou niveleierarhice (inferioare), nivelul executiv i tactic.

Legile de conducere sunt de tip secvenial i prezint un pronunat caracterde rigiditate, traiectoriile de micare, impuse de operaiile executate, pstrndconstante forma i mrimile lor semnificative. Tehnologic aceste sisteme suntrealizate n dou variante: fluidic i electronic. Soluia fluidic este ntlnit la

primele tipuri de manipulatoare industriale, n momentul de fa preferndu-se

aproape n exclusivitate tehnologiile de tip electronic. (figura 1.15).

Bloc 2Bloc 1

Bloc N-1

END

Sistem de controlal robotului

Sistem de controlal blocurilor

ROBOTInformaii proces (senzori)

PROCESOR

Control bloc

Decodificatorde operaii

16

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

18/23

Roboi industriali

Soluiile flexibile de conducere corespund cerinelor impuse de roboiiindustriali moderni. Ele ofer avantaje deosebite att sub raportul performanelorrealizate ct i n ceea ce privete complexitatea problemelor tratate i simplitatea

structurilor hardware utilizate. Practic, aceste sisteme sunt implementate n patruvariante: cu logic flexibil de tip microprogramat, cu automate programabile,microprocesoare i microcalculatoare.

Aceast ealonare indic de fapt i complexitatea soluiilor adoptate,structurile microprogramate corespunznd unor legi de conducere simple iarconducerea cu microprocesoare i microcalculatoare fiind specific sistemelorcomplexe cu o comportare adaptiv fa de schimbrile mediului de operare.

Figura 1.15

1.9 Arhitecturi de conducere

28

Soluie cablat

Tehnologiefluidic

Tehnologieelectronic

Soluie flexibil(programat)

Tehnologiielectronice

Logicmicroprogramat

Automate

programabile

Microprocesoare

Microcalculatoare

Problem deconducere

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

19/23

Capitolul 1.Inroducere n problematica sistemelor de conducere

Complexitatea funciilor realizate i soluia tehnologic de implementareadoptat sunt elemente care prefigureaz o anumit arhitectur de conducere.

Sistemele de conducere n logic cablat se bazeaz n principiu pe unautomat secvenial a (figura 1.16) realizat dintr-un registru de deplasare urmat de ologic de decodificare corespunztoare. Registrul constituie suportul de stare alautomatului, pentru fiecare stare robotul executnd o anumit secven funcional.La sfritul fiecrei secvene se genereaz un semnal ce determin incrementarea

pas cu pas a registrului. Simplitatea schemei face ca o astfel de structur deconducere sa fie deseori de preferat n comanda manipulatoarelor i a roboilorindustriali de tip secvenial.

Structurile flexibile cu logic microprogramat snt realizate dintr-unautomat secvenial constituit dintr-un secveniator programabil i o memorie acrui set de instruciuni definete att comenzile necesare fiecrei secvene, ct ievoluia viitoare a automatului i condiiile externe care pot guverna aceastevoluie. Flexibilitatea sistemului este conferit de elasticitatea informaieirezident n memorie att sub raport cantitativ ct i calitativ (figura 1.17).

Figura 1.16

O structur superioar de conducere este oferit de automatele programabile.Acestea nlocuiesc practic structurile cablate cu structuri logice programabile(figura 1.18) de tipul memoriilor semiconductoare, reelelor logice programabile(PLA), circuitelor specializate programabile etc. Se obine, n acest fel, oflexibilitate ridicat a modurilor de operare, o valorificare maxim a capacitilorde memorie iar prin introducerea unei uniti de dialogare se permite interveniaoperatorului uman n stabilirea unor regimuri de lucru prioritare.

16

Logiccombinaional

Registru dedeplasare

RobotProces

tehnologic

Semnal deincrementare

aSenzori

procestehnologic

Deplasarerobot

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

20/23

Roboi industriali

Figura 1.17

Sistemele de conducere cu microprocesoare realizeaz o serie de funcii deconducere i supraveghere a roboilor utiliznd ntreaga gam a operaiilor logice ide calcul aritmetic, evaluri cantitative i calitative a unor mrimi, prelucrarea unorsemnale prin algoritmi de conducere discret etc. Aceste sisteme au ca suport

hardware (figura 1.19) familii de microprocesoare pe 8 sau 16 bii saumicroprogramate.Pentru prelucrarea mixt a semnalelor binare i a celor numerice, sistemele

de acest tip sunt implementate i n configuraii de tip biprocesor, formate dinseciuni diferite specializate pe interpretarea unor mrimi pur secveniale sau aunora numerice

Astfel de sisteme se introduc, n mod firesc, n structuri de conducereierarhizate, fiecare procesor prelund unul din nivelele ierarhice proprii conducerii

roboilor.

30

Control

MEMORIE

SELECTOR INTRRI

ROBOT

Informaii proces tehnologic

Decodificareintrri

Informaii robot

SECVENIATORPROGRAMABIL

PROCES

TEHNOLOGIC

Comenzirobot

Spaiude

operare

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

21/23

Capitolul 1.Inroducere n problematica sistemelor de conducere

Figura 1.18

1.10 Concluzii

Majoritatea roboilor i manipulatoarelor industriale opereaz n practic ncondiii cunoscute anticipat, funcionnd ciclic n conformitate cu cerineletehnologice impuse. Ca urmare, este posibil sinteza unei conduceri nominale, aunui control programat, ce implementeaz micarea dorit pentru o stare iniial

particular considernd c nici o perturbaie nu afecteaz micarea. Un astfel decontrol poate fi sintetizat utiliznd modelul centralizat (global) al robotului.

ntruct aceste modele sunt, n general, destul de precise, este de ateptatca traiectoria realizat de robot prin exercitarea acestui control s fie destul decorect executat.

Sinteza acestui control este realizat, de obicei, off-line definind mai nti

traiectoria de micare n conformitate cu cerinele tehnologice de funcionare alerobotului i calculnd apoi mrimile de control necesare pentru acionarea acestuia.

16

a

INTERFEE IEIREINTERFEE INTRARE

ROBOT

PROCES TEHNOLOGIC

Comenzi robot

MEMORIE DATE

Magistral

MEMORIE PROGRAMUNITATE LOGIC

UNITATE DIALOG

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

22/23

Roboi industriali

Aceasta nseamn c nivelul de control tactic se reduce la o simplmemorare a traiectoriilor i a secvenelor de control adecvate.

Figura 1.19

Aceast soluie este, n general, unanim acceptat n aplicaiile industrialeale roboilor i manipulatoarelor, calculul off-line al controlului fiind realizat ntr-un calculator suficient de puternic, ce acoper un numr mare de sisteme deconducere, n timp ce controlul efectiv al roboilor la nivel executiv cade n sarcinaunor automate locale, microprocesoare sau microcalculatoare specializate.

O problem deosebit, n sinteza controlului la nivel tactic, apare datoritredundanei structurii mecanice. Aceast problem poate fi eliminat prinintroducerea unor criterii suplimentare care s penalizeze i s restricioneze

posibilitile de micare ale robotului. n acest fel, o conducere optim sausuboptimal satisface pe de o parte anumite criterii de performan i nltur, pede alt parte, aspectele conducerii redundante. Evident ca o astfel de tratare

presupune o abordare la nivele ierarhice superioare, algoritmii respectivi necesitndun suport hardware i software substanial.

32

RAM ROMMODULDIALOG

INTERFACALCULATOR

PRINCIPAL

MODUL I MODUL I

UC

ROBOT

PROCES TEHNOLOGIC

MODUL NI/E

Sprecalculatorulprincipal

Operator

MODUL 1I/E

Informaie senzori

Inf. senzori

Spaiu de operare

8/8/2019 cap 1-Introducere in problematica sistemelor

23/23

Capitolul 1.Inroducere n problematica sistemelor de conducere

Complexitatea modelelor matematice ale ntregii structuri mecanice face, decele mai multe ori, improprie implementarea unor algoritmi de conducere. n acestcaz, este preferat decuplarea modelului n subsisteme, n mod normal fiecrei

articulaii (sau a unei grupe de articulaii) asociindu-i-se un subsistem. Legea deconducere este determinat din condiiile de stabilizare local a fiecrui subsistemceea ce nu conduce ntotdeauna la o comportare satisfctoare pe ansamblul

problemei de conducere. n astfel de situaii se introduc suplimentar bucle dereacie global care s mbunteasc performanele dinamice ale sistemului. Nouaconfiguraie de conducere obinut poate deveni att de complex nct decuplarearealizat n prima faz i pierde sensul.

Cu toate aceste neajunsuri, tehnica decuplrii poate fi utilizat cu succesdac se ine cont de faptul c, n condiiile definirii fiecrui grad de libertate ca un

subsistem propriu, cuplajul ntre subsisteme este determinat de forele imomentele in articulaie. Este posibil sa se elimine interaciunea dintre subsisteme

prin introducerea unor bucle de compensare adecvate. Aceast metod prezintinconvenientul utilizrii unor traductoare for - moment, n general traductoare

pretenioase, costisitoare. Cu toate acestea, procedura este atractiv datorit, nspecial, utilizrii unor algoritmi de conducere mult mai simpli dect n variantaclasic.

Conducerea roboilor prin msurarea forelor-momentelor se impune de

asemenea n operaiile de asamblare cnd robotul vine n contact direct cu anumiteobiecte. n acest caz, conducerea prin controlul forei permite o mai bun adaptarela fluctuaiile parametrilor spaiului de operare realiznd totodat performanedinamice satisfctoare.

16