cap 5

Introducere în Robotică 124

CAPITOLUL 5 SISTEMUL DE COMANDĂ

5.1. Introducere

Rolul sistemului de comandă din cadrul hipersistemului “robot” - privit prin prisma antropomorfismului său structural - este echivalent cu rolul sistemului nervos. Astfel, dacă sistemul nervos asigură o legătură funcţională reciprocă între organele aparatele şi sistemele organismului şi realizează unitatea organismului cu mediul înconjurător prin recepţionarea excitaţiilor externe sau interne, a transmiterii şi analizării lor şi a elaborării răspunsurilor motorii şi secretorii, sistemul de comanda al robotului realizează în mare aceleaşi funcţii, dar la un nivel de complexitate mult mai redus.

Prelevarea şi transmiterea informaţiilor de la celelalte sisteme interne robotului precum şi de la mediul exterior se realizează prin intermediul traductoarelor şi senzorilor. Rolul lor este topologic echivalent cu cel al analizatorilor, care recepţionează excitaţiile mediului extern sau intern şi conduc excitaţiile la scoarţa cerebrală.

Facem observaţia că deşi senzorii şi traductoarele nu fac parte din sistemul de comanda al robotului - dacă sistemul “robot” este privit prin prisma antropomorfismului său - ei vor fi prezentaţi în cadrul acestui capitol.

Totodată pornind de la scopul conducerii robotului şi anume de a asigura punctului caracteristic în fiecare etapă situări respectiv deplasări cu viteze şi acceleraţii impuse sau determinate în raport cu obiectele din mediu, dar astfel încât mişcarea să fie “lină”, se va prezenta în cadrul capitolului construcţia sistemului de comandă, programarea roboţilor şi tipuri de programe.

125 Introducere în Robotică

5.2. Traductoare şi senzori utilizaţi în construcţia roboţilor

Pentru a putea să-şi realizeze funcţiile, sistemul de comandă are nevoie de informaţii despre starea internă şi externă a sistemului robot, informaţii care sunt oferite de către senzori si traductoare.

Din punct de vedere al rolului funcţional, putem spune că, traductoarele culeg şi transmit informaţii despre mărimi cinematice (deplasări, viteze, acceleraţii), iar senzorii informaţii despre mărimi necinematice, efecte stohastice ale mediului, recunoaşterea unor forme şi situări ale obiectelor.

Din punct de vedere al locului de prelevare a informaţiei, în general, traductoarele culeg informaţii din interiorul sistemului robot, în timp ce senzorii prelevează informaţiile din mediul înconjurător.

Folosirea roboţilor inteligenţi, dotaţi cu sisteme de percepţie senzorială - atât în industrie cât şi în sectoarele prestărilor de servicii - reprezintă, în unele cazuri, un fapt cotidian, iar în multe alte domenii o necesitate.

Pornind de la acest aspect al necesităţii dezvoltării traductoarelor şi senzorilor destinaţi roboţilor, se prezintă unele condiţii necesare a fi îndeplinite de către aceştia:

- asigurarea unui semnal primar corespunzător;- asigurarea prelucrării primare a informaţiei;- asigurarea decuplării influenţelor parazite;- fiabilitate;- rezistenţă la acţiunile nefavorabile ale mediului

înconjurător (praf, agenţi corozivi, şocuri, suprasarcini, etc.);- posibilitatea ataşării facile pe robot sau în sistemul

deservit de către robot.

5.2.1. Traductoare

Traductoarele se utilizează pentru măsurarea deplasărilor, poziţiilor, vitezelor şi acceleraţiilor realizate de către cuplele cinematice conducătoare ale robotului. Aceste


informaţii culese sub forma unui semnal sau a unor succesiuni de semnale sunt transmise spre prelucrare sistemului de comandă.

Tabelul 5.1.Clasificare a traductoarelorParametrul măsurat

Forma semnal-ului de ieşire

Natura relativă (deplasare) sau absolută (poziţie) a mărimii măsurate

Natura c.c.c. în care se plasează traductorul

Sistemul de măsurare

Fig.

1 2 3 4 5 6

numeric

incrementale(de deplasare)

-translaţie-rotaţie

electric, optic, pneumatic

Fig..1.Fig..2.

absolute(de poziţie)

-translaţie-rotaţie

electric, optic, pneumatic

Fig..3.Fig..7.

ciclic absolute

rezolver-rotaţie inductive

Deplasare

(de deplasare) inductosyn-translaţie inductive

poziţie cascada de rezolvere-rotaţie

inductive

analogic

analog absolut(de poziţie)

inductosyn multiplu-translaţie

inductive

Potenţiome-tru-translaţie-rotaţie

rezistivFig..8.Fig..9.

condensator-rotaţie -translaţie

capacitiv

Viteza

analogic

- tahogenerator-rotaţie

de c.c.de c.a.:-sincrone-asincrone

numeric - -rotaţie -foto-electrice-inductive-magnetice

Fig..10

127 Introducere în RoboticăAcceleraţie

-rotaţie -translaţie Fig...1

1.Forţă / moment

analogic

- -rotaţie -translaţie-roto-translaţie

Fig..12.Fig..13.Fig..14.

O clasificare a traductoarelor este prezentată în tabelul 5.1.

Dacă traductoarele de deplasare dau la ieşire mărimea relativă a deplasării, ca diferenţă a coordonatelor finale şi iniţiale a elementului mobil, traductoarele de poziţie oferă mărimea absolută a deplasării, ca valoare a coordonatelor poziţiei finale a elementului mobil, luată faţa de originea coordonatelor.

Traductoarele numerice sunt cele mai utilizate în construcţia roboţilor.

Schema unui traductor numeric incremental liniar este prezentată în fig.5.1.

Fig. 5.1. Traductor numeric incremental liniar

Fascicolul de lumină emis de sursa 1 este transformat cu ajutorul lentilei 2 dintr-unul divergent în unul paralel astfel încât să cadă perpendicular pa rigla incrementală divizoare 3, care prezintă zone opace ce alternează cu zone transparente

succesiv la o lăţime de L2

. Rigla vernier 4 fixă are porţiunile

F2 F1 F3 F4

Element "I+1"(cursor)

Element "I"(riglă incrementală)

Vern

ier


opace de lăţime 3

4

L iar porţiunile transparente egale cu

L2

.

Rigla 3 este solidară cu elementul căruia i se doreşte a i se afla deplasarea. Cele patru fotoelemente Fi sunt dispuse în dreptul porţiunilor transparente ale riglei vernier 4. Toate aceste elemente sunt plasate într-un corp numit capul traductorului.

Fluxul luminos captat de Fi este transformat în semnale periodice de perioadă egală cu pasul incremental, apoi sunt transformate în semnale digitale, care sunt amplificate, numărate şi afişate.

Diviziunea este decalată pe vernier cu un sfert de pas în scopul determinării sensului de deplasare a elementului mobil.

Un traductor numeric incremental rotativ este prezentat în fig.5.2.

Sistemul este compus din:1 - sursă luminoasă; 2 - lentilă condensor;3 - disc incremental divizor;4 - disc incremental vernier;5 - fotodiodă.Aceste traductoare se utilizează frecvent ca şi

traductoare de viteză liniară şi respectiv traductoare de viteză unghiulară.

Fig. 5.2. Traductor numeric incremental rotativ

F1 - F4

Element "I+1" (disc incremental rotativ)

Element "I" (cu vernier în formă de sect. circ.)


Traductoarele numerice absolute transformă deplasarea de măsurat sub forma unui număr binar scris într-un cod. Măsurarea este mai precisă decât în cazul anterior.

Principiul de măsurare este acelaşi cu cel de la traductoarele incrementale, cu menţiunea că în acest caz se folosesc mai multe trenuri de impulsuri, transmise pe mai multe piste, incrementul pistei “i” fiind 2i-1L.

Fig. 5.3. Traductor numeric absolut

Părţile componente ale traductorului sunt: 1-sursă de lumină; 2-lentilă condensor; 3-riglă codificată (pentru rotaţii disc codificat); 4-corpul de citire fotoelectric.

Fig. 5.4. Modul de citire a distanţei parcurse de riglă

Modul de citire a distanţei parcurse de riglă este prezentat în fig.5.4.


Poziţia punctului M se exprimă în cod binar de atâţia biţi câte piste se folosesc. Între deplasarea L şi numărul de piste există o relaţie de dependenţă de forma: N2n-1.unde:N - numărul zecimal ce indică deplasarea L;

n - numărul de piste necesare.Codul binar prezintă dezavantajul că la trecerea de la

un număr zecimal la altul se pot modifica simultan mai multe ordine binare, ceea ce determină generarea de erori. Se prezintă două metode de eliminare a acestui neajuns:a) codificarea în cod Gray - în acest caz trecerea de la un număr zecimal la următorul se poate face prin modificarea unui singur ordin binar. Dezavantajul metodei constă în faptul că sistemul necesită convertoare Gray-binar, respectiv binar-Gray.

Fig. 5.5. Codificarea în cod Gray

b)introducerea unei piste de interdicţie T înaintea primei piste a fiecărei diviziuni

Fig. 5.6. Codificarea prin introducerea unei piste de interdicţie T

Traductorul optoelectronic de situare rotativ absolut (figura 5.7.) este asemănător celui descris anterior, deosebirea constând în faptul, că pistele sunt materializate pe un disc şi pe un vernier în formă de sector circular.

Origine

131 Introducere în RoboticăMăsurarea orientării absolute a discului se face în raport cu linia de origine după care se aliniază fantele pe toate pistele.

Fig. 5.7. Traductorul optoelectronic de situare rotativ absolutTraductorul potenţiometric liniar absolut (figura 5.8.)

conţine o rezistenţă electrică variabilă, legată de unul dintre elementele cuplei cinematice conducătoare şi un cursor în mişcare de translaţie, legat de celălalt element al cuplei amintite. Între bornele A şi B rezistorul este legat la o tensiune electrică U. Semnalul de ieşire este căderea de tensiune ΔU, produsă între borna A a rezistenţei şi borna C a cursorului. În acest caz borna A constituie originea măsurării.

Fig. 5.8. Traductorul potenţiometric liniar absolut

La traductorul potenţiometric rotativ absolut (figura 5.9.) rezistenţa electrică variabilă este dispusă circular iar cursorul are o mişcare de rotaţie.

Fig. 5.9. Traductorul potenţiometric rotativ absolut

În principiu, se mai pot folosi ca şi traductoare de deplasare / situare şi inductosyne, rezolvere (de deplasare, incrementale - "ciclic absolute"), respectiv inductosyne multiple, cascade de rezolvere (de situare, absolute), toate

UU

A B C

Rez

isto r

Cursor

U

U

Rezistenţă

Cursor

A BC


având semnal de ieşire analogic. Aceste traductoare se întâlnesc mai rar în construcţia de roboţilor.

Traductoarele de viteză generalizată, respectiv, de acceleraţie generalizată culeg informaţii despre parametrii cinematici (menţionaţi ca adjective) ai mişcării relative a elementelor cuplelor cinematice conducătoare.

Traductorul inductiv de viteză unghiulară relativă (figura 5.10.) este un generator de curent continuu. Arborele rotorului este solidar cu unul din elementele cuplei cinematice conducătoare de rotaţie iar statorul este solidar cu celălalt element. Semnalul de ieşire este dat de tensiunea U a curentului electric generat şi se culege la bornele înfăşurării statorice.

Fig. 5.10. Traductorul inductiv de viteză unghiulară relativă

Traductorul de acceleraţie liniară absolută (figura 5.11.) conţine, închisă într-o carcasă, o masă suspendată pe un arc lamelar, pe care este lipit un timbru tensometric rezistiv. Carcasa se fixează pe elementul aflat în mişcare accelerată. Semnalul de ieşire este căderea de tensiune produsă pe timbrul tensometric, când acesta este străbătut de un curent

A BU

Sta

tor

ele

-m

en

t

"I"

Arb

or

eele

men

t

"I +

1

"

N

S

Ca

rca

săE

lem

ent

"I

+

1"

A BU

m

Lam ă

e

last

ică

Timbru

tensomet

ric

Element "I"

133 Introducere în Roboticăelectric de intensitate controlată şi arcul execută oscilaţii forţate.

Fig. 5.11. Traductorul de acceleraţie liniară absolută

Traductoarele de forţă generalizată servesc la culegerea informaţiilor cu privire la forţele / momentele care acţionează în elemente, respectiv între zonele de contact ale cuplelor cinematice aparţinând mecanismelor sistemului mecanic şi a celor ale sistemului de acţionare. Ca urmare, aceste traductoare măsoară forţe interioare.

În cazul în care traductoarele din această categorie au ca funcţie sesizarea acţiunii forţelor generalizate din mediu asupra elementelor mecanismelor amintite mai sus (deci forţe exterioare), ele au rol de senzori de forţe generalizate (tabelul 5.4. poziţia 11).

La traductorul de forţă pentru o singură componentă (figura 5.12.) forţa activă se aplică asupra unui element sensibil, a cărei deformaţie este măsurată cu ajutorul unor traductoare rezistive cu timbre tensometrice montate în

punte.Fig. 5.12. Traductorul de forţă pe o singură componentă

La traductorul de moment pentru o singură componentă (figura 5.13.) momentul activ se aplică axial asupra unui arbore rotitor şi se transmite la arborele de ieşire, încărcat cu momentul reactiv, prin intermediul unor lamele elastice. Deformaţiile arcurilor lamelare sunt

ElementsensibilReacţiune

Forţă Timbre tensometri

ce

Lam

ele

ela

stic

e

Momen

t activ

Timbretensometrice

Momentreactiv


proporţionale cu momentul aplicat, fiind măsurate pe cale tensometrică.

Fig. 5.13. Traductorul de moment pentru o singură componentă

Traductorul de forţă / moment pentru 6 componente (figura 5.14.) conţine un cilindru din aluminiu, decupat astfel încât partea rămasă din cămaşa cilindrului să formeze opt grinzi curbilinii legate între ele. Torsorul forţelor generalizate active acţionează asupra unei extremităţi a cilindrului iar cel al forţelor generalizate reactive, asupra celeilalte extremităţi. Deformaţiile grinzilor curbilinii sunt măsurate cu ajutorul a 64 de traductoare tensometrice rezistive, ale căror semnale analogice de ieşire se prelucrează într-un dispozitiv electronic, rezultând în final şase semnale de ieşire cu intensităţile proporţionale cu cele trei componente ale vectorului forţă activă şi cu cele trei componente ale vectorului moment activ.

Fig. 5.14. Traductor de forţă/moment pentru 6 componente


5.2.2. Senzori

Roboţii industriali, proiectaţi şi realizaţi de om pentru a-l înlocui în operaţii de manipulare a materialelor, pieselor, instrumentelor, sculelor sau dispozitivelor tehnologice speciale, trebuie să fie capabili să identifice, în anumite condiţii şi limite, parametrii ai mediului ambiant şi să reacţioneze la modificări ale acestora. Pe măsură ce gradul de nedeterminare a principalilor parametri ai proceselor de manipulare creşte, se impune înzestrarea maşinilor automate cu elemente senzitive şi de prelucrare a semnalelor, cu funcţii similare unor organe de simţ umane, denumite senzori sau sisteme senzoriale.

În tabelul 2.4. se prezintă o paralelă între senzorii ataşaţi roboţilor şi analizatorii organismului uman.

Tabel 2.4.Nr Analizatorul

corespunzătorTipul de senzor utilizat Fig.

1 - - de existenţă – întrerupător Fig. 5.15.

2 - analizator cutanat - tactili/tactili de alunecare Fig.5.16. – 5.18

3 - analizator cutanat - piele artificială Fig. 5.19.

4 - analizatorul acustic (la delfini, lilieci)

- proximitate: - ultrasonici;- fluidici;- inductivi;- capacitivi;- magnetici;- optoelectronic

i

Fig. 5.20.Fig. 5.21.Fig. 5.22.Fig. 5.23.Fig. 5.24.Fig. 5.25.

5 - analizator vizual - video Fig. 5.26.

6 - de radiaţii -7 - analizatorul

gustativ, olfactiv, - de substanţe chimice -


vizual8 - de fum -9 - analizator cutanat - de temperatură Fig.

5.3010

- analizator cutanat - de presiune -

11

- analizator kinestezic

- forţă – moment (forţă generali-zată)

Fig. 5.14.

- adaptivi Fig. 5.31.Fig. 5.32.Fig. 5.33.

Senzorii tactili sesizează contactul unui element al mecanismelor din sistemul mecanic al robotului cu un obiect din mediu.

Semnalul emis de senzorul tactil este de regulă analogic binar: după cum există contact / nu există contact. El poate fi uşor convertit în semnal numeric, contactului corespunzând de fapt un impuls.

În figura 5.15.a)-g) se prezintă şapte tipuri constructive de senzori tactili binari singulari cu acţionare mecanică, semnalul de ieşire reprezentându-l un semnal electric.

În momentul contactului se închide sau se deschide un circuit electric şi un voltmetru sesizează tensiunea electrică pe circuit. Întreruperea / închiderea circuitului electric se poate realiza:

a) Mecanic, apăsând butonul unui microîntrerupător.b) Cu membrană pocnitoare. Piesa de contact C1 este

fixată în alveola unei membrane elastice ME iar piesa de contact C2, în placa fixă PF. Plăcile sunt izolate electric. Forţa de contact F, de coliziune cu obiectul, deformează alveola şi contactele se închid. Deschiderea are loc prin revenire elastică. Semnalul de ieşire este variaţia tensiunii ΔU la borne;

c) Cu contact prin folie piezorezistivă. Plăcile P1 şi P2 au pe feţele interioare câte un fir de contact C1, respectiv C2, având axele încrucişate. Sub acţiunea forţei de contact


F, folia piezorezistivă îşi modifică rezistenţa electrică, ceea ce modifică tensiunea ΔU la borne;

a) b) c)

d) e) f)

g)

Fig. 5.15. Tipuri constructive de senzori tactili binari singulari

d) Optic: datorită apăsării butonului se întrerupe / restabileşte un fascicul de lumină emis de o sursă (LED) şi detectat de o fotodiodă (FD). Semnalul de ieşire este tensiunea ΔU la bornele fotodiodei;

e) Inductiv: În acest caz, forţa de contact deplasează un miez feromagnetic, modificând inductanţa bobinei şi tensiunea electrică ΔU între bornele A şi B;

f) Capacitiv: În urma contactului între obiect şi butonul tijei, armătura A1 se deplasează şi se modifică

Mic

ro -în

trer

up

ăt

or

A B

F

A

BΔU

ME

PF

C1

C2

F

A

B

ΔUFP

C1

C2

F P1

P2

ΔU

A

B

F

LED

FDFascicol

de lumină

A

B

F

Bobină

ΔU

Miez

A

B

F

A2ΔU

A1

A

B

F

CPΔU


capacitatea condensatorului. Aceasta produce modificarea tensiunii electrice ΔU;

g) Piezoelectric: Tija butonului transmite forţa de contact F la cristalul piezoelectric CP, care se polarizează, producând la bornele sale tensiunea electrică ΔU.

În figura 5.16 se prezintă un senzor tactil matricial. Senzorul conţine mai mulţi senzori tactili binari, dispuşi matricial pe o placă, după linii şi coloane. Fiecare senzor component poate fi constituit după unul din principiile descrise mai sus la tipuri constructive de senzori tactili binari

singulari.Fig. 5.16. Construcţia de principiu a unui senzor tactil matricial

În figura 5.17 se prezintă un senzor de alunecare. O rolă cilindrică acoperită cu material de fricţiune, cu axa lăgăruită în bacul unui DP, este în contact cu obiectul prehensat. Alunecarea obiectului faţă de bac pune rola în rotaţie, iar această mişcare este sesizată de către un potenţiometru rotativ. Semnalul de ieşire este modificarea de tensiune la bornele potenţiometrului.

Fig. 5.17. Variantă constructivă de senzor de alunecare

Senzor tactil binar

Bac

Obiect de

lucru

Sens de alunecar

e

Rolă


În figura 5.18 se prezintă un senzor combinat tactil şi de alunecare. Senzorul conţine un ac de safir suspendat pe o membrană elastică şi are cele două picioare sprijinite pe câte un cristal piezoelectric CP1 şi CP2. Dacă obiectul este apăsat până la imobilizare, reacţiunile de contact la picioare vor fi egale şi tensiunile la bornele cristalelor vor rezulta de asemenea egale (ΔU1 = ΔU2). Dacă obiectul are tendinţă să alunece, reacţiunile vor fi diferite, modificând şi tensiunile electrice (ΔU1 ≠ ΔU2).

Fig. 5.18. Senzor tactil şi de alunecare

În figura 5.19 se prezintă schema principială a unui senzor tactil de tip „piele artificială”. Separarea celor două influenţe (mecanică şi termică) s-a realizat prin aplicarea, la nivelul suprafeţei de contact, a unui strat subţire din elastomer cu conductivitate termică redusă. Stratul dermic este modelat de o peliculă de PVDF care este în contact pe suprafaţa inferioară cu o placă în care sunt plasaţi electrozi metalici. Placa metalică plasată deasupra peliculei de PVDF formează cu electrozii condensatori electrici.

Pelicula PVDF din „stratul epidermic” are aplicată pe suprafaţa interioară un înveliş rezistiv, care fiind conectat la o sursa de tensiune ridică temperatura senzorului la 37oC. La contactul cu piesa are loc o disipare a căldurii prin stratul epidermic, mai rapid la piesele cu conductivitate termică ridicată şi acestea vor fi considerate ca piese reci de către senzor, iar dacă piesa are conductivitate termică scăzută ea va fi considerată ca piesă caldă de către senzor.

A1

B1

ΔU1

CP1

CP2 A2

B2

ΔU2

Ac

de

safir

Sen

s d

e

alu

neca

re


Fig. 5.19. Senzor tactil de tip piele artificială

Schema de principiu a unui senzor de proximitate ultrasonic se prezintă în figura 5.20. Fasciculul de undă ultrasonoră emis de emiţătorul E, după reflectarea pe obiect este recepţionat de un receptor R. Un detector compară fazele undelor emise şi receptate, diferenţa de fază fiind dependentă de timpul de parcurgere a distanţei Δx. Dacă această distanţă este mai mică decât pragul volumului senzitiv, semnalul de ieşire digital este binar. Senzorul poate îndeplinii şi rolul unui telemetru. În acest caz el emite un semnal de ieşire analogic, care depinde de distanţa Δx.

Fig. 5.20. Schema de principiu a unui senzor de proximitate ultrasonic

În figura 5.21. se prezintă schema de principiu a unui senzor de proximitate fluidic. O duză trimite un jet de fluid

Δx

Obiect

R E

Detector

Semnal binar

141 Introducere în Robotică(aer comprimat) asupra obiectului. Rezistenţa la curgere prin interstiţiul dintre obiect şi gura duzei modifică presiunea statică a fluidului în canalul de alimentare, în funcţie de distanţa Δx. Presiunea se măsoară cu un manometru cu contacte închis/deschis, care dă un semnal de ieşire electric, binar.

Fig. 5.21. Schema de principiu a unui senzor de proximitate fluidic

Schema de principiu a unui senzor de proximitate inductiv se prezintă în figura 5.22. Senzorul conţine o bobină alimentată cu curent alternativ. Aproprierea unui obiect feromagnetic de senzor, modifică inductanţa bobinei şi tensiunea la bornele sale. Tensiunea la borne este măsurată de un voltmetru electronic, care furnizează un semnal digital binar.

Fig. 5.22. Schema de principiu a unui senzor de proximitate inductiv

ΔxDuză O

bie

c t

Aer

com

pr.

ΔU

Obiect feromagnetic

Δx Bobină


Schema de principiu a unui senzor de proximitate capacitiv se prezintă în figura 5.23. Principiul este similar cu cel al senzorului de proximitate inductiv, cu deosebirea că în locul bobinei elementul senzitiv este un condensator. Aproprierea obiectului de armăturile condensatorului modifică capacitatea acestuia şi tensiunea la borne.

Fig. 5.23. Schema de principiu a unui senzor de proximitate capacitiv

Schema de principiu a unui senzor de proximitate magnetic se prezintă în figura 5.24. Senzorul se bazează pe efectul Hall. Câmpul magnetic generat de magnetul (sau electromagnetul) N-S se închide parţial prin pastila semiconductoare şi parţial prin obiectul feromagnetic. Fluxurile magnetice depind de distanţa Δx dintre obiect şi senzor, ca şi tensiunea Hall ΔU care se generează pe feţele transversale ale pastilei semiconductoare în raport cu direcţia fluxului magnetic şi a curentului electric care traversează pastila. Semnalul emis de senzor este binar şi apare atunci când distanţa Δx atinge marginea spaţiului senzitiv.

ΔU

Δx

CondensatorObiect


Fig. 5.24. Schema de principiu a unui senzor de proximitate magnetic

În figura 2.25. se prezintă Schema de principiu a unui senzor de proximitate optoelectronic. Lumina diodei fotoluminiscente LED, după două reflexii de pe oglinzile O1 şi O2 ajunge la o fotodiodă FD, generând la bornele acesteia o tensiune electrică ΔU. Obiectul care pătrunde în spaţiul senzitiv dintre oglinzi, obturând fasciculul luminos, produce o tensiune zero.

Fig. 5.25. Schema de principiu a unui senzor de proximitate optoelectronic

ΔUUN

S

Δx

Obiect

Semiconductor

I

LED

FD

ΔU

O1

O2

Obiect


Senzori vizualiDeseori camera este tratată ca şi o cutie neagră

prevăzută fiind cu câteva “butoane” de ajustare. Dar înainte ca o imagine să fie disponibilă în memoria computerului în vederea prelucrării şi analizei, au loc câteva transformări, care sunt prezentate în figura 5.26.

Structura generalizată a unui sistem vizual tehnic se compune din:

cameră de achiziţie a imaginii, care are în componenţă: lentila, matricea de senzori de tip CCD, electronica aferentă şi respectiv sincronizatorul; ea generează pe baza informaţiei luminoase receptată de la scenă un semnal video analog pe care îl transmite digitizorului;

digitizorul, care are în componenţa sa un separator sync, un bloc care restabileşte offsetul semnalului, un filtru, un bloc ce realizează cuantificarea şi respectiv un sincronizator , care realizează corespondenţa între datele transmise în framestore-ul computerului şi adresele corespunzătoare.

Structurile sistemelor vizuale industriale sunt de o mare diversitate, rezultată din diversitatea problemelor care se rezolvă prin aceste sisteme.

Pentru folosirea eficientă in condiţii industriale, sistemele vizuale trebuie să fie sigure în funcţionare, relativ ieftine şi comode în exploatare, pentru ca utilizarea lor să fie justificată din punct de vedere economic.

În afară de aceasta, problemele a căror rezolvare necesită utilizare de sisteme vizuale sunt extrem de diverse şi nu există o soluţie tehnică universal valabilă. Din această cauză, există tendinţa de a se crea sisteme vizuale modulare, cu o configuraţie care să poată fi modificată în funcţie de problema care trebuie rezolvată.

Din modulele de bază ale sistemelor vizuale fac parte senzorul video, sistemul de iluminare, circuitele de prelucrare a informaţiei video şi programul de calcul corespunzător.


Fig.5.26. Structura unui sistem vizual tehnic

Dacă în cazul operatorului uman – pentru problema discutată - funcţia principală o constituie cea de analiză şi înţelegere a imaginilor, această funcţie fiind realizată de către creier, în cazul sistemelor vizuale, funcţiile principale sunt prezentate în figura 5.27. [Nede98]

În cazul sistemelor tehnice – sisteme artificiale - lumea reală este percepută prin intermediul unuia sau mai multor senzori vizuali. Aceştia, în general, achiziţionează fie informaţii bidimensionale de tip intensitate luminoasă, culoare, fie informaţii tridimensionale de tip informaţii de profunzime, în scopul creării unui semnal de tip imagine numerică, multimodal, variabil în spaţiu şi timp.

Prelucrarea imaginii aşa cum este prezentată şi în figura 5.27. este un proces repetativ aplicabil semnalului


primar în vederea îmbunătăţirii prin utilizarea unor tehnici de eliminare a zgomotelor şi sporire a unor caracteristici.

Fig. 5.26. Funcţiile principale ale sistemelor vizuale

Segmentarea se aplică semnalului îmbunătăţit cu scopul identificării, extragerii şi eventual a compresiei informaţiilor ce pot fi clasificate funcţie de diferite caracteristici alese.

Operatorul uman, utilizând sisteme de modelare, va realiza modelul lumii, model care poate reflecta mai mult sau mai puţin fidel structura şi caracteristicile lumii reale. Dacă modelarea este corect realizată, între structura, componentele şi caracteristicile modelului lumii şi semnalele de intrare în sistemul vizual se poate stabili o relaţie biunivocă.

Modelul lumii

Modelul lumii

Comanda

numerică

Lumea reală

Lumea reală

Modelare

SemnalSemnal

Descrierea datelor

Descrierea datelor

Vizualizare

Achiziţie

Înţelegere

Reconsti-tuire

Potrivire

Etichetare

Seg-mentare

Prelucrăride imagini


Stabilirea acestei corespondenţe constituie unul din obiectivele principale ale sistemelor vizuale. Interpretarea entităţilor oferite de procesarea semnalelor de la senzori ca entităţi ale modelului se realizează prin funcţia sistemului vizual de etichetare.

Potrivirea realizează corespondenţa obiectelor model cu apariţiile lor din scenă, rezolvând fie problema detecţiei prezenţei şi localizării unui obiect specificat în scenă, fie problema identificării şi localizării tuturor obiectelor din scenă.

Corectitudinea interpretării este oferită de posibilitatea reconstituirii semnalului de intrare utilizând cunoştinţele oferite de entităţile model detectate în semnal.

Operaţia inversă, ca o verificare a procesului de segmentare, se realizează prin reconstituirea semnalului de intrare din reprezentarea acordată cu senzorul.

Operaţia de vizualizare, operaţie inversă achiziţiei, utilizează semnalul imagine pentru reflectarea lumii reale.

Procesul de înţelegere suprapune semnalul imagine peste modelul lumii, determinând toate obiectele din scenă şi localizările lor.

Operaţia inversă modelării – acţionarea - este cea prin care se acţionează asupra lumii reale pentru a o pune în concordanţă cu modelul lumii. Acţionarea se realizează de obicei cu ajutorul maşinilor, din care un rol important îl ocupă roboţii.

Prelucrarea digitală a imaginilor presupune o succesiune de etape de procesare hard şi soft, precum şi de implementare a unor metode teoretice.

Etapele necesar a fi parcurse pentru realizarea unor prelucrări de imagini sunt prezentate în figura 5.28.

Prima etapa în acest proces este materializată de achiziţia de imagine. Aceasta necesită un senzor de imagine şi capacitatea de a digitiza semnal de la ieşirea acestuia. Senzorul poate fi o camera de televiziune alb negru sau color, care produce o imagine completă la o rată de achiziţie care depinde de performanţele senzorului sau o cameră cu scanare liniară, producând la un moment dat o singură linie dintr-o imagine. În acest caz, mişcarea cu viteză uniformă a


obiectului prin faţa scanerului duce la obţinerea unei imagini bidimensionale. Dacă la ieşirea camerei rezultă un semnal analogic, este necesar transformarea acestuia cu ajutorul unui convertor analogic –numeric în semnal digital.

Cea de-a doua etapă este cea de preprocesare a imaginii digitale obţinute. Scopul preprocesării este o sporire a calităţii imaginii în sensul sporirii şanselor de succes ale prelucrării ulterioare. De regulă preprocesarea constă în aplicarea unor algoritmi de îmbunătăţire a contrastului, curăţare de zgomot şi izolare a regiunilor a căror textură indică o asemănare cu informaţia alfanumerică avută în vedere.

Următoarea etapă este aceea a segmentării imaginii, respectiv împărţirea acesteia în zone distincte, caracterizate printr-o omogenitate în raport cu unele caracterisrici. De obicei segmentarea este una din cele mai dificile etape în prelucrarea digitală de imagini. pe de o parte, algoritmii sofisticaţi de segmentare, cu şanse mari de selectare a regiunilor de interes, necesită calcule complicate şi deci se constituie ca un proces mare consumator de timp, pe de altă parte în cazul în care se utilizează algoritmi simpli sau insuficienţi elaboraţi nu se pot aplica cu şanse mari de succes.


Fig. 5.27. Schema bloc a etapelor prelucrării imaginilorSegmentarea binară este simpla clasificare a pixelilor

imaginii în două mulţimi (obiect-mediu). În general, aceasta se realizează prin împărţirea pixelilor în două clase, în raport cu o intensitate de prag T:

(5.1)

unde Mo şi Mm sunt mulţimile corespunzătoare obiectului, respectiv mediului, I(I,j) intensitatea pixelului situat la coordonatele i şi j. Pentru o imagine simplă sau pentru una generată prin diferite procedee, segmentarea generează direct obiectele, însă atunci când imaginile sunt complexe rareori se pot diferenţia direct obiectele.

În general, rezultatul segmentării este un şir de intensităţi ale pixelilor, reprezentând fie conturul regiunii de

Achiziţie de imagine(senzor)

Achiziţie de imagine(senzor)

M E D I U

PreprocesarePreprocesare

SegmentareSegmentare

Reprezentare

Reprezentare

DescriereDescriere

Recunoaştere

Recunoaştere

Rezultat

Trăsături

Mulţimi de pixeli tip:- regiune;- graniţă

Clase de pixeli

Informaţie primară

Informaţie curăţată de zgomote

BAZĂ

DE

DATE

BAZĂ

DE

DATE


interes, fie întreaga regiune. În fiecare caz este necesară conversia datelor într-o formă mai potrivită pentru prelucrarea pe calculator.

Prima decizie care trebuie luată este dacă datele trebuie să fie reprezentate ca un contur sau ca o regiune completă: reprezentarea ei ca şi contur se justifică în cazul în care prelucrarea urmăreşte evidenţierea caracteristicilor de formă (colţuri, inflexiuni, etc.), pe când reprezentarea ca regiune este mai potrivită când se urmăreşte studiul caracteristicilor interne ale regiunii, cum ar fi textura sau structura internă.

Prin urmare, reprezentarea este operaţia prin care mulţimile spaţiale sunt reprezentate într-o formă potrivită unor calcule (prelucrări) viitoare, în general fie ca şi regiuni conectate, fie prin graniţe.

Alegerea modalităţii de reprezentare a datelor este urmată de specificarea metodei de descriere a acestora , astfel încât caracteristicile de interes să fie puse în evidenţă cu prioritate.

Descrierea sau selecţia caracteristicilor reprezintă tocmai procesul de selectare a caracteristicilor, având ca rezultat o informaţie cantitativă sau caracteristici ce diferenţiază o clasă de obiecte de altă clasă de obiecte.

Ultima etapă a procesului este aceea de recunoaştere şi de interpretare a datelor.

Prin interpretarea imaginii se înţelege descrierea obiectelor fizice dintr-o scenă dată a unei imagini sau a mai multor imagini ale aceleiaşi scene. O astfel de descriere sub formă numerică poartă numele de trăsături ale imaginii (image features).

Scopul principal al extragerii trăsăturilor imaginii îl constituie reducerea ratei datelor de ieşire de la cameră la un nivel ce poate fi prelucrat de un computer. Prin urmare scopul extragerii trăsăturilor imaginii se confundă cu extragerea esenţei scenei respective.

O trăsătură a imaginii se defineşte ca orice relaţie măsurabilă a unei imagini.

Descrierea obiectelor se face prin intermediul trăsăturilor globale sau locale extrase din imagini.


Trăsăturile globale reflectă proprietăţi globale ale obiectelor. Extragerea lor corectă depinde de achiziţionarea unor imagini de bună calitate, ce conţin obiecte simple, perfect separabile între ele şi distinctibile de mediu.

Trăsăturile globale la rândul lor pot fi clasificate în: trăsături geometrice, trăsături funcţionale şi trăsături topologice.

Trăsăturile geometrice se împart la rândul lor în:a) trăsături caracteristice care au rol în identificarea obiectelor, iar ele se aleg astfel încât să fie invariabile la transformări rigide. Dintre ele se amintesc:

A – aria; P – perimetrul; P2/A – factorul de formă; Rmax – raza maximă; Rmin – raza minimă; R – raza medie; R – deviaţia standard a razelor; Lc,lc – dimensiunile dreptunghiului minim

circumscris imaginii; Emax – momentul de inerţie maxim al imaginii; Emin – momentul de inerţie minim al imaginii; Emin/Emax – factor de alungire; - media nivelurilor de gri; - deviaţia standard a nivelelor de gri;precum şi echivalentele lor tridimensionale;

b) trăsături de situare care servesc la determinarea transformării care va supune modelul peste instanţa lui din scenă; în această categorie intră:

xc,yc – coordonatele centrului de greutate; E – direcţia axei de alungire; Rmin, Rmax – direcţiile axelor minime şi maxime.

Trăsăturile funcţionale sunt acelea care realizează o descriere suficient de exactă a obiectelor din imagine utilizând dezvoltări analitice uşor de utilizat cum ar fi:

coeficienţii Fourier ai funcţiei intrinseci a curbei de contur al imaginii;

momente de inerţie de diferite ordine calculate pe curba de contur: momente de ordin (p+q):


(5.2)pentru o imagine binară m00 reprezintă aria imaginii, iar (m10, m01) este centroida acesteia. Jang [Jang91] oferă o definiţie formală a

trăsăturii unei imagini prin funcţionala:

(5.3)unde I(x,y) reprezintă intensitatea pixelului în poziţia (x,y); funcţia F() se generează printr-o mapare liniară sau neliniară funcţie de trăsătură, putând include şi funcţia delta; invarianţii calculaţi pe baza momentelor de

inerţie ale imaginii. Trăsăturile topologice exprimă proprietăţi ale obiectelor invariante la deformările care nu afectează suprafaţa, ele fiind independente de distanţe:

C – numărul componentelor conexe; H – numărul cavităţilor; E=C-H – numărul lui Euler; graful componentelor conexe.

Trăsăturile locale reflectă proprietăţile locale ale obiectelor. Din această cauză ele îşi păstrează relevanţa în cazul truncherilor sau acoperirilor parţiale şi sunt mai puţin sensibile la zgomote. Dacă dintr-un set de trăsături locale caracterizând un obiect, o parte sunt acoperite, informaţiile conţinute de trăsăturile vizibile nu vor fi afectate.

Recunoaşterea reprezintă procesul de clasificare a unui obiect într-o anumită categorie, pe baza informaţiei rezultate în urma descrierii imaginii segmentate.

După cum se observă şi din figura 5.27. pentru desfăşurarea în bune condiţii a procesului sunt necesare unele cunoştinţe anterioare stocate în baza de cunoştinţe. Între această bază de date şi celelalte module ale procesului există o strânsă interdependenţă.

Astfel, cunoştinţele necesare pentru rezolvarea unei anumite probleme prin prelucrarea digitală de imagini sunt codificate în sistem sub formă de baze de date. Cunoştinţele pot fi fie de tip simplu, de exemplu detalierea unei regiuni

153 Introducere în Roboticădintr-o imagine, unde se presupune că este localizată informaţia de interes, limitându-se în acest fel procedura de căutare a respectivei informaţii, fie pot avea un caracter mult mai complex, ca de exemplu o listă a defectelor interne mai importante ale unor produse, în aplicaţii de tipul inspecţiei automate sau o bază de date de imagini conţinând imagini de înaltă rezoluţie preluate de la sateliţi, în cazul aplicaţiilor de tip detecţie din satelit.

Baza de date permite şi asigurarea unei reacţii între module, pe lângă dirijarea operaţiilor în modulele de prelucrare.

Se face remarca – de altfel normală – că majoritatea aplicaţiilor prelucrărilor de imagini au o structură mult mai simplă şi nu necesită interacţiuni de complexitatea celor prezentate în figura 5.27, iar uneori nici nu sunt necesare toate modulele prezentate în figură.

Principial, senzorii vizuali pot fi încadraţi în categoria senzorilor optoelectronici, dar se preferă încadrarea lor într-o categorie separată datorită complexităţii acestora şi datorită clasei largi de probleme ce se rezolvă doar cu ajutorul acestor senzori.

În general, senzorii vizuali moderni conţin următoarele tipuri de traductoare video:

tuburi receptoare vidate (de tip vidicon, orticon etc.); matrice de fotodiode integrate; traductoare fotoelectrice cu dispozitive cuplate prin

sarcină - circuite CCD (“Charge Coupled Devices”).Cei mai răspândiţi senzori video sunt cei bazaţi pe

circuite CCD sau pe variante ale acestora.Senzorii cu dispozitive cuplate prin sarcină (CCD)

utilizează conceptul transferului de sarcină, care a fost descris de Boyle şi Smith de la Bell Telephone în anul 1970.

Acest principiu constructiv este o variantă aparţinătoare tehnologiei dispozitivelor cu transfer de sarcină (CTD - Charge Transfer Device).

Alte variante care pot fi amintite sunt: dispozitive cu acumulare de sarcină BBD (Bucket Brigade Devices);


dispozitive cu injectare de sarcini CID (Charge Injection Devices); dispozitive cu sarcini cuplate peristaltice (pCCD – Peristaltic Charge Coupled Device); dispozitive cu sarcini cuplate cu profil peristaltic (p2CCD – Profile Peristaltic Charge Coupled Device).Din punct de vedere constructiv, senzorul CCD este o

matrice de elemente fotosensibile executate pe un cristal semiconductor prin metoda microlitografierii.

Dacă pe suprafaţa acestui sistem se proiectează un relief luminos, atunci în fiecare element se formează o sarcină localizată de purtători de sarcină minoritară (la potenţial minim) şi de mărime proporţională cu mărimea fluxului luminos pe elementul dat şi cu timpul de acumulare. Distribuţia mărimilor sarcinilor acumulate copiază imaginea luminoasă vizualizată.

După expirarea timpului de acumulare, care de obicei este fix, sarcinile sunt deplasate succesiv pe linii şi cadre şi îndepărtate din structura senzorului prin dispozitivul de ieşire (registru). Informaţia astfel obţinută formează semnalul video.

Construcţia principială a unui senzor CCD liniar este prezentată în figura 5.28.

Dintre avantajele acestui tip de senzor se amintesc: reducerea cu un ordin de mărime a masei şi a gabaritului, rezistenţă mecanică mare, fiabilitate ridicată, lipsa necesităţii alimentării cu tensiune înaltă şi a folosirii de tunuri de electroni (filamente încălzite la incandescenţă). Cel mai mare avantaj îl prezintă precizia geometrică deosebită a imaginii video (datorită legăturii rigide a semnalului video de coordonatele elementelor fotosensibile).

Tehnologia CCD comportă un ansamblu de puncte discrete ale senzorului vizual, fiecare punct discret (imagine elementară) purtând denumirea de pixel.


Fig. 5.28. Schema bloc a unui senzor CCD liniar

Senzorii bazaţi pe acest principiu sunt de două feluri: circuite CCD liniare şi circuite CCD matriciale.

Elementele componente sunt următoarele: elementul fotosensibil 1 cu n pixeli, circuitele de transfer 2 şi 3, regiştrii de transport 4 şi 5, circuitul de ieşire şi circuitul de amplificare.

Numărul maxim de pixeli este determinat de lungimea dispozitivului şi de ineficienţa circuitelor de transfer.

Principial, senzorul CCD bidimensional este constituit dintr-un ansamblu de senzori CCD liniari dispuşi în paralel. Dispunerea senzorilor liniari şi a circuitelor şi registrelor corespunzătoare este prezentată în figura 5.29.

Un astfel de senzor este prevăzut cu circuite de adresare care comută tactul la linia dorită. Funcţionarea este similară cu cea a senzorului liniar, deosebirea constând în

Registru de transport

Circuit de transfer

N

Circuit de transfer

Registru de transport

N-1 23 1…Circuit

de ieşire

AmplificatorSemnal de ieşire

Sem

nale

de c

om

an

dă


faptul că la ieşire se obţin cadre formate din linii succesive şi nu linii izolate.

Avantajele principale ale sistemelor CCD în comparaţie cu matricele de fotodiode constau într-o rezoluţie spaţială mai bună, dimensiunea tip a elementului fotosensibil de bază fiind de 10x10 m sau chiar mai mică, precum şi prezenţa unui număr mai mare de elemente pe cristal.


Fig. 5.29. Schema bloc a unui senzor CCD matriceal

Senzorii de radiaţii conţin câte un detector al particulelor din care constă radiaţia şi un contor (numărător)

Registru de transport linii

Circuit de transfer

N 23 1…Circuit

deieşire

Amplificator

Semnal de

ieşire

Sem

nale

de c

om

an

dă


Circuit de transfer

N 23 1…


Circuit de transfer

N 23 1…

Cir

cuit

de t

ran

sfer

Reg

istr

u d

e t

ran

sport

cad

re

|

M

2

1


al particulelor detectate (spre exemplu de tip Geiger-Müller). În general sunt senzori digitali.

Senzorii de substanţe chimice sunt prevăzuţi cu detectori în care există substanţe, care intră în reacţie cu elementele chimice sau combinaţiile acestora, a căror prezenţă în componenţa mediului trebuie să fie detectată. Energia eliberată de reacţia chimică este transformată în energia electrică a semnalului de ieşire.

Senzorul de fum reprezintă o variantă a senzorului de compoziţie chimică.

În figura 5.30 se prezintă un senzor de temperatură. Acesta permite determinarea formei suprafeţei de contact şi proprietăţile termice ale materialului. Elementele componente ale senzorului sunt: sursa termică, un material de conductivitate termică cunoscută şi o reţea de termistoare (figura 5.30). Termistoarele sunt poziţionale până la un pas de 3 mm, această densitate oferind o sensibilitate senzorului de acelaşi ordin de mărire ca şi a degetului uman.Ca şi elemente sensibile s-au folosit termistoarele atât pentru dimensiunea lor redusă, cât şi pentru inerţia termică redusă. Temperatura fiecărui termistor din reţea este citită secvenţial prin intermediul circuitului electronic de multiplexare a senzorului.

Fig. 5.30. Senzor de temperatură

Ca şi senzori de presiune sunt utilizate de obicei manometrele, respectiv traductoare de presiune.


5.2.3. Senzori utilizaţi în conducerea adaptivă a roboţilor

Senzorii pentru determinarea poziţiei şi a secţiunii rostului de sudură oferă posibilitatea măsurării precise a distanţelor până la rost şi detectarea secţiunii acestuia, procesul realizându-se fără contact.

Principiul de măsură se bazează pe măsurarea optică a distanţelor prin sistemul de triangulaţie utilizând reflexia difuză a unui fascicol laser pe suprafaţa semifabricatului (fig.5.31.).

Fig. 5.31. Senzorii pentru determinarea poziţiei şi a secţiunii rostului

Unghiul de reflexie, condiţionat de dispunerea constructivă a receptorului optic, este proporţional cu distanţa dintre capul laserului şi semifabricat.

Fascicolul de lumină, emis fie de o sursă laser He-Ne, fie de o diodă laser în infraroşu se reflectă difuz pe semifabricat, iar după ce străbate un sistem optic, este receptat de către un detector. De obicei detectorul este


materializat printr-un senzor liniar CCD. Tinând cont de punctul în care cade fascicolul laser pe detector şi de orientarea acestuia se deduce distanţa M până la suprafaţa semifabricatului .

În cazul în care se reuşeşte o basculare rapidă a planului optic în jurul unei axe paralele cu rostul, senzorul devine capabil să investigheze un profil. Astfel, prin dezvoltarea senzorului laser prezentat anterior a apărut scanerul laser. El posedă o modalitate proprie de urmărire on-line a conturului, realizând astfel şi urmărirea îmbinării de sudat.

În fig.5.32. se prezintă principiul ce stă la baza scanerului laser.

Fig. 5.32. Scaner laser

Senzorul este plasat în faţa capului de sudură în direcţia de deplasare a efectorului final. Practic baleierea secţiunii urmărite se realizează cu ajutorul unei oglinzi basculate de un motor, unghiul de baleiere fiind măsurat de către senzor de poziţie, putând a fi variat în limite largi, la fel ca şi frecvenţa de baleiere.


Prima oglindă baleiază raza laser pe semifabricat, astfel încât fâşia de lumină reflectată difuz de rost ajunge la cea de-a doua oglindă, iar de aici este reflectată la senzorul CCD linear. Poziţia punctelor izolate înregistrate pe imagine este direct proporţională cu adâncimea rostului.

Următoarea etapă constă în reducerea datelor, prin selectarea a 510 puncte care reprezintă elementele esenţiale cu ajutorul cărora poate fi reconstituit profilul: unghiuri de înclinare, puncte finale. Profilul obţinut se compară de către sistemul de comandă cu modelele existente şi se determină acţiunile corespunzătoare legate de corecţia traiectoriei şi de adaptarea parametrilor de sudură.

Astfel, prin acest sistem de achiziţie a informaţiei, se poate determina distanţa la suprafaţa de sudură, punctul de început al sudurii, zona mediană a sudurii, precum şi volumul de sudură.

Un dispozitiv construit de firma ASEA ROBOTICS este cel ce utilizează ca principiul de funcţionare o scanare cu un fascicol laser şi măsurarea difuziei prin reflecţie. Printr-un aranjament de lentile şi oglinzi un fascicol infraroşu transmis de la o diodă laser este oscilat perpendicular pe interstiţiul de sudat. Unghiul incident a luminii reflectate detectată de senzor este măsurat de un traductor. Distanţa senzor-piesă de lucru este calculată prin metoda triangulaţiei.

Sistemul de urmărire cu laser este constituit din unitatea de rotaţie, din incinta senzorului optic, care sunt montate pe ultimul element al robotului şi sunt prezentate în fig.5.33.

Incinta senzorului este rotită de un motor pas cu pas pentru a imprima o mişcare oscilatorie sistemului, perpendiculară pe îmbinarea ce urmează a fi sudată. Motorul pas cu pas este controlat de computerul sistemului de măsură astfel încât nici una din axele permanente ale robotului nu este restricţionată.

Incinta senzorului este montată pe rulmenţi cu bile în interiorul unităţii de rotaţie şi se roteşte în jurul pistolului de sudură care este montat rigid pe unitatea de rotaţie. În cadrul incintei se află dispuse dioda laser, traductorul, scanerul şi dispozitivul electronic de control. În partea inferioară a


incintei sunt dispuse două ferestre prin care fascicolul laser este transmis şi recepţionat.

Fig. 5.33. Scanare cu un fascicol laser şi măsurarea difuziei prin reflecţie [dispozitiv construit de firma ASEA ROBOTICS]

Senzorul generează un semnal unghi/distanţă care este procesat de PPU. Prin unitatea terminală valoarea digitală este stocată în memoria controlerului.

Sistemul de urmărire cu laser este protejat de mediul de sudură în câteva moduri. Incinta senzorului şi unitatea de rotaţie sunt alimentate cu aer comprimat, care are rolul atât de a răci unitatea cât şi de a preveni prelingerea fumului în incintă. Partea inferioară a incintei este protejată prin intermediul unui câmp termic.

Ferestrele de transmitere şi recepţie a fascicolului laser sunt protejate împotriva fumului şi a particulelor rezultate din procesul de sudură printr-o zonă tubulară şi sticlă plată, ambele având posibilitatea de a fi înlocuibile.

Rezoluţia detectării interstiţiului este de 0.02 mm, dar când sistemul este montat pe robot precizia de detecţie este de până la 0.4 mm. Greutatea sistemului este de 3 kg şi prezintă un câmp maxim de măsură de 145 mm. Câmpul de măsură vertical este de 45 mm. Frecvenţa de scanare este de 20Hz cu o lăţime a scanării de 15 mm. Viteza maximă

163 Introducere în Roboticăde deplasare este de 20 mm/s şi schimbarea maximă de unghi a rostului este de 45 de grade.

Programarea sistemului de urmărire cu laser este complet integrată cu programarea robotului. Instrucţiunile de urmărire şi de căutare sunt adăugate peste instrucţiunile de poziţionare. Programarea este făcută mai uşoară deoarece lumina vizibilă este combinată cu fascicolul invizibil infraroşu astfel încât scanarea este prezentată ca o linie pe platoul de sudat.

Localizarea rostului de sudat necesită în general o căutare bi- sau tridimensională, pentru determinarea punctului de start. Pentru sudurile cap la cap trebuie determinată în primul rând poziţia piesei faţă de pistolul de sudură, adică cota pistolului. În faza următoare se efectuează căutarea muchiei de sudat. Căutarea este făcută automat în acord cu tipul îmbinării şi cu datele de căutare specifice.

După secvenţa de căutare, care poziţionează sudura în câmpul de vedere a senzorului, începe urmărirea rostului de sudură. Urmărirea se face automat în funcţie de tipul îmbinării, datele de urmărire specificate şi de datele de adaptare.

5.3. Comanda robotului5.3.1. Noţiuni introductive

La prezentarea structurii robotului (cap. 2) s-a arătat faptul, că sistemul de comandă al robotului joacă acelaşi rol pe care la om îl joacă sistemul nervos. El realizează funcţia de comandă.

Funcţia de comandă are ca şi conţinut emiterea unor comenzi privind instalarea la un moment dat a unei anumite stări prescrise de funcţionare a sistemului de acţionare (a fiecărui element de acţionare în parte).

Se înţelege prin comandă un set de instrucţiuni (informaţii) privind pornirea/oprirea funcţionării unui anumit motor din componenţa sistemului de acţionare, respectiv


referitor la funcţionarea lui cu anumiţi parametrii la elementul de ieşire.

Ansamblul sistem de comandă+sistem de acţionare formează sistemul de conducere al robotului. În paragraful de faţă se va discuta fie despre comanda robotului atunci când se va face referire strict la acele comenzi care induc o anumită stare sistemului de acţionare, fie despre conducerea robotului atunci când se va avea în vedere ansamblul sistem de comandă-sistem de acţionare, ansamblu care are ca efect inducerea unei anumite stări dorite sistemului mecanic al robotului.

În figura 5.34 se prezintă o clasificare a modalităţilor de realizare a conducerii robotului funcţie de existenţa-inexistenţa unui “contact” între efectorul final sau obiectul prehensat de efectorul final şi mediul înconjurător [Soml97].

Astfel, în cazul în care nu există un contact între efectorul final şi mediu scopul conducerii robotului este acela de a asigura punctului caracteristic în fiecare moment poziţii, respectiv deplasări cu viteze şi acceleraţii impuse sau determinate în raport cu obiectele din mediu, fără coliziuni, dar astfel încât mişcarea să fie "lină" (traiectoria pe care o parcurge punctul caracteristic să nu prezinte puncte unghiulare sau de întoarcere).

Se vorbeşte despre comandă în poziţie atunci când poziţia punctului caracteristic este mărimea controlată în vederea realizării conducerii robotului, respectiv despre comandă în acceleraţie sau viteză atunci când punctului caracteristic al robotului i se prescriu şi controlează respectiv aceste mărimi.


Fig. 5.34. Clasificare a tipurilor de conducere [Soml97]

Dacă există contact între efectorul final şi mediu (de exemplu atunci când robotul realizează o asamblare sau atunci când lucrează cu unele capete de forţă) în acest caz, de obicei, se necesită realizarea unei “conduceri hibride” [Asad86] atât cinematic cât şi dinamic.

În cazul conducerii dinamice mărimea prescrisă şi controlată o reprezintă forţa generalizată cu care efectorul final trebuie să interacţioneze cu mediul. Posibilităţile de rezolvare a “contactului” dintre efectorul final şi mediu sunt două şi anume: complianţa pasivă (materializată prin utilizarea unor dispozitive de complianţă) dar în special complianţa activă [Coif92], [Warn89].

Sarcina comenzii robotului constă în determinarea vectorului mărimii prescrise (vector de intrare) aferente acţionării astfel încât să se realizeze scopul conducerii robotului (care în general este de a asigura punctului caracteristic în fiecare moment - cu o precizie prestabilită - poziţii, respectiv deplasări cu viteze şi acceleraţii impuse sau determinate în raport cu obiectele din mediu, fără coliziuni, dar astfel încât mişcarea să fie "lină").

Din punct de vedere matematic această problemă poate fi formulată sub următoarea formă:

Conducerea robotului

Conducerea robotului

Conducere “grosieră” (fără

contact între efector final şi

mediu)

Conducere “grosieră” (fără

contact între efector final şi

mediu)

Conducere “fină” (hibridă) (cu contact între efector final

şi mediu)

Conducere “fină” (hibridă) (cu contact între efector final

şi mediu)

Conducere în

spaţiul cuplelor

Conducere în

spaţiul cuplelor

Conducere în

spaţiul cartezian

Conducere în

spaţiul cartezian

Conducere globală

Conducere globală

Conducere utilizând complianţă pasivă

Conducere utilizând complianţă pasivă

Conducere utilizând complianţă activă

Conducere utilizând complianţă activă


Sarcina comenzii robotului constă în determinarea vectorului mărimii prescrise aferente acţionării - S(t) cu 0<t<T - astfel încât să se realizeze în orice moment relaţia:

(5.4)unde:

- reprezintă mişcarea realizată de către robot (fie că se controlează situarea efectorului final sau coordonatele generalizate ale cuplelor cinematice conducătoare);

- reprezintă mişcarea prescrisă (fie ca poziţie, fie ca viteză, fie ca şi cuplu la nivelul cuplelor cinematice conducătoare);

- reprezintă toleranţa prescrisă dintre mişcarea realizată şi mişcarea prescrisă;

- reprezintă vectorul condiţiilor iniţiale;- reprezintă vectorul parametrilor acţionării;- reprezintă vectorul parametrilor elementelor

dispozitivului de ghidare.În tabelul 5.3. se prezintă o clasificare a tipurilor de

conducere a membrilor "familiei robot". [Tarc98d].Funcţiile sistemului de conducere sunt următoarele: modelarea sistemului condus, dar şi a sistemului de

conducere; specificarea, generarea şi controlul mişcărilor care

se realizează în buclă prin parcurgerea următorilor paşi: percepţie, decizie, respectiv acţiune;

dialogul cu operatorul uman.Funcţiile sistemului de conducere sunt următoarele: modelarea sistemului condus, dar şi a sistemului de

conducere; specificarea, generarea şi controlul mişcărilor care

se realizează în buclă prin parcurgerea următorilor paşi: percepţie, decizie, respectiv acţiune;

dialogul cu operatorul uman.

Tab. 5.3. Tipuri de conducere a membrilor "familiei robot"

167 Introducere în RoboticăTipul de conducer

e

Cine coordoneaz

ă conducerea

?

Modalitatea de realizare a conducerii

Utilizarea tipului de comandă în cadrul

"familiei robot"

Conducere manuală

- operatorul uman

- prin întrerupătoare, butoane, manete (joy-stick)

-manipulator-manipulator cu comandă manuală.

- prin copiere -instalaţii de teleoperare-exoschelete-proteze -orteze -maşini păşitoare-uneori

Conducere automată

-calculatorul

-robot -manipulator -robocar –maşină păşitoare, târâ-toare

Conducere mixtă

-operator uman + calculator

- simultan -robot cu un număr mare de grade de mobilitate;-manipulator medical

- secvenţial (serial)

-proteze -orteze -robot

5.3.2. Conducerea manuală a roboţilor

Conducerea manuală a roboţilor industriali se realizează prin acţiunea unui operator uman, care o poate transmite fie prin butoane, întrerupătoare, manete (joy-stick) fie prin copiere.

Conducerea prin întrerupătoare, butoane respectiv manete are drept scop punerea în funcţie sau oprirea secvenţială a motoarelor, respectiv modificarea parametrilor cinematici.

Conducerea prin copiere este specifică instalaţiilor "master-slave" (manipulatoare sincrone), instalaţiilor de


teleoperare, exoscheletelor, protezelor, ortezelor şi a unor instalaţii păşitoare.

Instalaţiile sincrone sau "master-slave" sunt constituite din două lanţuri cinematice de structură identică, schemele cinematice având configuraţii geometrice asemenea (coeficientul de proporţionalitate K al lungimilor poartă denumirea de "coeficient de sclav"). Unul din lanţurile cinematice, denumit lanţul stăpân ("master") este pus în mişcare de operatorul uman, cel de-al doilea lanţ, denumit lanţ sclav ("slave", aservit), va executa o mişcare asemenea lanţului stăpân şi anume, mişcările relative unghiulare ale elementelor cuplelor cinematice de rotaţie vor avea unghiurile de rotaţie egale, iar mişcările relative de translaţie ale elementelor cuplelor cinematice de translaţie, vor avea deplasările liniare proporţionale, coeficient de proporţionalitate fiind "coeficientul de sclav" amintit mai sus.

Acţionarea lanţului "stăpân" poate fi realizată fie prin conducerea manuală de către operatorul uman a elementului omolog elementului din lanţul "sclav", care poartă dispozitivul de prehensiune (fig.5..a), fie prin ataşarea integrală sau parţială a lanţului stăpân de braţul operatorului uman (fig.1.7.3.1.b).

Fig. 5.35. Instalaţii "master-slave" utilizaţi la operaţii de vopsire

Transmiterea mişcării de la lanţul cinematic "stăpân" la cel "sclav" se poate realiza prin intermediul unei transmisii mecanice care asigură o legătură directă între elementele

169 Introducere în Roboticăcare compun cuplele cinematice omoloage ale celor două lanţuri, prin intermediul unor transmisii mecanice în care unele elemente sunt legate prin cuplaje electromagnetice sau prin intermediul unor cabluri sau unde radio, care transmit semnalele unor selsyne emiţătoare antrenate de mişcarea relativă a elementelor cuplelor lanţului "stăpân", la selsyne receptoare, care antrenează în mişcarea relativă elementele cuplelor lanţului "sclav".

Sincronismul mişcărilor lanţului cinematic "stăpân" cu cel "sclav" poate fi asigurat şi printr-o acţionare hidraulică.


Fig. 5.36. Schema acţionării hidraulice a unei Instalaţii "master-slave"

În figura 5.36 s-a prezentat schema acţionării hidraulice a două cuple cinematice omoloage, M aparţinând lanţului "master" şi S aparţinând lanţului "sclav". Hidromotoarele liniare HMLS, aferent lanţului "sclav" şi HMLM, aferent lanţului "master" sunt legate între ele prin conducte care leagă incintele lor omoloage. Mişcarea relativă a elementelor cuplelor cinematice este controlată prin traductoarele

171 Introducere în Roboticăpotenţiometrice PM şi PS, iar presiunea în conductele care leagă cele 2 hidromotoare, prin traductoarele de presiune D1 şi D2.

Operatorul uman acţionează maneta m, imprimând micşorarea unghiului de poziţie relativă M a elementelor cuplei M şi deplasarea pistonului HMLM de la stânga la dreapta. Ca urmare se creează o diferenţă de presiune între cele două conducte care pleacă din incintele HMLM, sesizată de traductoarele D1 şi D2, respectiv o diferenţă între unghiurile de poziţie relativă a elementelor cuplei M şi a cuplei S, sesizată de traductoarele de poziţie potenţiometrice PM şi PS.

Ca urmare a semnalelor primite de la traductoare un dispozitiv electronic emite o comandă către servoventilul electrohidraulic SVEH care permite accesul fluidului (uleiului) în incinta din stânga a HMLS.

Ventilele de urmărire VZM şi VZS permit întreruperea circulaţiei fluidului de la/către HMLM respectiv HMLS. Ele intră în funcţie spre exemplu, în cazul în care lanţul "sclav" trebuie să menţină o sarcină într-o poziţie ridicată.

Deci structura şi schema cinematică a lanţurilor "master" şi "slave" trebuie concepute astfel încât să asigure realizarea operaţiei humanoide dorite într-un anumit spaţiu de lucru, lanţul "slave" să copieze aidoma mişcarea lanţului "master" şi în sfârşit lanţul "master" să nu împiedice mişcarea braţului - antebraţului operatorului. Din prima condiţie rezultă dimensiunile lanţului cinematic "slave". Cea de-a doua condiţie impune structură identică a celor două lanţuri cinematice, amplitudini egale ale mişcărilor relative ale elementelor cuplelor cinematice omoloage şi proporţionalitatea lungimilor schemelor cinematice ale elementelor, conform raportului de proporţionalitate Ks.

Pentru execuţia corectă a operaţiilor humanoide de realizat de o importanţă deosebită este raportul dintre lungimea deplasării reale a punctului caracteristic al lanţului "slave", observată de operator, şi lungimea deplasării mâinii operatorului. Acest raport K poartă denumirea de coeficient de scală observat şi se recomandă a se alege 0,6 - 1,0.


Exoscheletele amplificatoare se construiesc după acelaşi principiu de conducere prin copiere. Exoscheletele amplificatoare se utilizează frecvent în mediu industrial la operaţii din magazii. Ele constă din lanţuri cinematice cu elemente în formă de bară ataşate membrelor şi torsorul operatorului uman şi care sunt mişcate relativ, la mişcarea corpului acestuia, cuplele cinematice respective fiind acţionate de motoare. Exoscheletele amplifică capacitatea operatorului uman de a manipula sarcini sau/şi mişcările acestora.

Protezele sunt la rândul lor comandate prin copiere. Proteza este fixată pe bontul braţului amputat al operatorului. Comanda poate fi dată prin intermediul mişcării corespunzătoare a unor muşchi ai torsorului, feţei, buzelor, limbii etc. persoanelor amputate. În "punctele de comandă" se amplasează senzori care decelează existenţa în sensul mişcării de comandă (interfaţă), le transformă în impulsuri electrice, care se comunică motoarelor care acţionează mişcarea relativă a diferitelor cuple cinematice.

Ortezele sunt o altă categorie de aplicaţii medicale comandate prin copiere. Un operator, care este incapabil de a acţiona pe cale naturală prin muşchii săi membrul său superior, poate realiza acest deziderat prin intermediul ortezei. Elementele care constituie cuplele cinematice ale acesteia sunt mişcate relativ de pneumo-motoare comandate de acţiunea unor "puncte de comandă" de pe corpul operatorului, sau de biocurenţi captaţi de la acesta şi pun în mişcare pe această cale braţul, antebraţul şi mâna acestuia.

Conducerea manuală prin butoane/întrerupătoare permite punerea în funcţiune şi oprirea succesivă sau simultană a motoarelor care acţionează mişcările relative ale elementelor cuplelor cinematice conducătoare ale mecanismelor. Ea nu prezintă particularităţi deosebite. Comanda manuală prin manete (joy-stick) cu 1-3 grade de mobilitate permite transmiterea limitată a unor semnale de comandă în genul în care se lucrează cu lanţurile cinematice "master".

Conducerea manuală sincronă presupune existenţa unei legături inverse senzoriale, care să informeze în mod

173 Introducere în Roboticăcontinuu operatorul uman despre starea lanţului "sclav" şi efectele mediului asupra acestuia. Această legătură inversă senzorială se poate realiza, înainte de toate, pe cale vizuală, fie nemijlocit, prin observaţie directă, fie prin televiziune în circuit închis, în cazul instalaţiilor de teleoperare.

Canalul vizual nu dă însă întotdeauna informaţii complete despre "scena" de operare, din cauza poziţiei relative a operatorului sau a camerei TV de luat vederi faţă de unele obiecte sau din cauza unor iluzii optice. Omul este ajutat în executarea operaţiei humanoide şi de celelalte simţuri. De aceea "legătura inversă" vizuală se completează cu succes prin semnale (de exemplu acustice) transmise şi pe alte canale, recepţionarea cărora conferind siguranţă suplimentară acţiunii operatorului.

În cazul legăturii cinematice nemijlocite între lanţurile cinematice "master" şi "slave" forţa/momentul redus la mâna operatorului realizează o legătură inversă, care permite sesizarea integrală sau proporţională a sarcinilor statice sau inerţiale care acţionează asupra lanţului "slave". O situaţie similară apare şi în cazul transmisiei sincrone (prin selsynuri) a mişcării între "slave" şi "master". Momentele motoare, respectiv rezistente, ale selsynurilor transmit semnalul de forţă/moment de la lanţul "slave" la cel "master".

Instalaţiile de teleoperare realizează "legătura inversă" de forţă/moment transmiţând pe un canal separat semnale integrale sau proporţional reduse/amplificate privind măsurile măsurate de senzorii de forţă/moment amplasaţi pe lanţul "slave".

Sisteme mai sofisticate permit o colaborare mai intimă între om şi maşină în cadrul comenzii manuale.

Instalaţia ERIC II realizată de Institutul CERTSM din Toulon (Franţa) este prevăzută cu o comandă "telesimbrotică". Manipulatorul lucrând pe fundul mării este observat "de un cap" cu 6 grade de mobilitate prevăzut cu 2 camere de luat vederi şi 2 microfoane.

Operatorul poartă o cască susţinută de un lanţ cinematic cu şase grade de mobilitate, în care în dreptul ochilor se amplasează două ecrane video, iar în dreptul urechilor două emiţătoare audio. Mişcările capului


operatorului cu casca se transmit sincron (prin selsynuri) la "capul" de observare submarin. Dispozitivul creează operatorului iluzia că se află el însuşi pe scena "submarină", iluzie completată de "legătura inversă" de forţă/moment proporţională la manetele de comandă acţionate de operator.

Fig. 5.37.

Realizarea unei "legături inverse" suplimentare faţă de cea vizuală naturală permite o mai bună dexteritate în utilizarea protezei/ortezei de către operatorul handicapat. Informaţii de forţă/moment se pot transmite nemijlocit prin intermediul soclului de fixare a protezei/ortezei bontului sau membrului de susţinere. Proteza de membru superior, realizată la laboratorul de biotehnologie al Universităţii din California, utilizează pentru transmiterea informaţiilor, privind magnitudinea presiunii ce se exercită pe senzorii tactili amplasaţi pe dispozitivul de prehensiune, modificarea proporţională a frecvenţei unor semnale electrice. Ele se transmit operatorului amputat prin intermediul unor interfeţe constituite din senzori implantaţi în piele.

Modificarea cu 20° a unghiului de poziţie relativ al articulaţiei cotului schimbă electrodul care transmite informaţia pielii. În figura 5.37.a se prezintă schema bloc a culegerii şi transmiterii informaţiilor pe canalul "legăturilor inverse", iar în fig. 5.37.b varianta de amplasare a electrozilor pe pielea operatorului amputat.


5.3.3. Conducerea automată a roboţilor

Prin conducerea automată a unui robot industrial se înţelege planificarea şi generarea traiectoriei respectiv controlul nemijlocit al mişcărilor, în mod automat, de către sistemul de conducere al robotului.

5.3.3.1. Planificarea traiectoriei

Planificarea traiectoriei ca scop impunerea unei mişcări lipsite de coliziuni între punctele (situările) ţintă impuse de procesul tehnologic. În acest scop sunt determinate un număr minim de puncte via prin care se va realiza trecerea punctului caracteristic de la un punct ţintă la altul. Trecerea printr-un punct via sau ţintă corespunde parcurgerii unei etape a procesului tehnologic.

De exemplu considerând cazul tipic al unui proces tehnologic de asamblare (fig.5.38) în care un robot manipulează un obiect cilindric (pin) care trebuie introdus într-o gaură (hole) al unui piese prismatice care este transportat prin intermediul unui conveior, etapele procesului tehnologic sunt următoarele:

1. Robotul se apropie de pin (APPROACH),2. Robotul atinge pinul (MOVE),3. Robotul apucă pinul (CLOSE),4. Robotul se îndepărtează cu pin (DEPART),5. Robotul cu pinul se apropie de gaură

(APPROACH),6. Robotul introduce pinul în gaură (MOVE),7. Robotul eliberează pinul în gaură (OPEN),8. Robotul se îndepărtează de gaură (DEPART).

În figura.5.38. s-a reprezentat etapa a 5-a care din punctul de vedere al planificării traiectoriei este etapa cea mai generală din cele arătate (etapa a 6-a este un caz particular al etapei 5: trebuie atins fundul găurii). Dar din punctul de vedere al conducerii automate etapa a 6-a este cea mai complicată deoarece obiectul manipulat devine în


contact cu mediul şi în consecinţă este necesară o conducere hibridă de poziţie-forţă.

Fig. 5.38. Proces tehnologic de asamblare

Descompunerea mişcării robotului în mişcare de apropiere (APPROACH) şi mişcare de atingere (MOVE) este convenabilă, deoarece apropierea se realizează prin intermediul unei mişcări în spaţiul liber (gross motion) iar atingerea se realizează, datorită obstacolului apropiat, cu mişcare fină (fine motion).

Poziţiile corespunzătoare fiecărei etape pot fi determinate în două moduri: prin procedeul de învăţare sau prin calcul utilizând în acest scop modelul matematic al mediului în care acţionează robotul.

Prin procedeul de învăţare (teach in) operatorul uman conduce manual dispozitivul de ghidare al robotului de-a lungul întregului proces tehnologic, comandând şi reglând manual poziţiile şi orientările necesare, iar când acestea sunt cele corecte se memorează poziţiile şi orientările obţinute în memoria sistemului de conducere automată. Acesta este cazul când procesul tehnologic este bine stabilit şi rigid iar robotul execută mereu acelaşi mişcări.


Există însă cazuri când procesul tehnologic este flexibil. În acest caz mişcarea robotului trebuie planificată în concordanţă cu situările arbitrare ale obiectelor din mediul exterior al robotului. Aceasta este posibilă prin utilizarea unui model matematic care să reprezintă fidel, în memoria sistemului de conducere automată, în fiecare etapă a procesului tehnologic, situarea relativă a obiectelor din spaţiul de lucru al robotului. Modelul astfel creat se numeşte modelul mediului exterior şi este utilizat la determinarea prin calcul a situărilor (raportate faţă de baza robotului) care sunt corespunzătoare punctelor ţintă şi via din cadrul fiecărei etape a procesului tehnologic.

Cu scopul creării modelului mediului exterior se stabilesc sisteme de coordonate legate de fiecare obiect din mediu. Un exemplu pentru stabilirea sistemelor de coordonate este prezentat în fig.5.38. S-au utilizat următoarele notaţii:

RUNIV Sistemul de coordonate universal, legat de hala industrială în care lucrează robotul;

R0 Sistemul de coordonate legat de baza robotului;Rm Sistemul de coordonate legat de ultimul element al

dispozitivului de ghidare în cazul unui robot cu m grade de libertate;

REF Sistemul de coordonate legat de efectorul final;ROBJ Sistemul de coordonate legat de obiectul cilindric

manipulat;RHOLE Sistemul de coordonate legat de gaura piesei

prismatice;RBLOC

K

Sistemul de coordonate legat de piesa prismatică;

RCONV Sistemul de coordonate legat de conveior.

Exprimând poziţiile şi orientările relative ale sistemelor de coordonate prezentate prin intermediul matricilor de situare poate fi concepută graful de transformare al robotului:


Fig. 5.39. Graful de transformare al robotului

În cazul general (cazul conveiorului mobil) la planificarea traiectoriei este necesară prescrierea poziţiei şi a orientării obiectului manipulat faţă de gaura piesei prismatice. Problema conducerii automate este respectarea acestui deziderat (chiar şi în cazul unei mişcări arbitrare a conveiorului) prin mişcările corespunzătoare ale cuplelor cinematice conducătoare.

Efectuarea conducerii automate necesită calcule referitoare la mărimile cu care trebuie comandat fiecare motor de la nivelul cuplelor cinematice conducătoare cu scopul trecerii de la un punct ţinta sau via la altul. Luând în considerare doar aspectul cinematic, trebuie determinat prin calcul poziţiile relative în care trebuie aduse pe rând, prin conducere automată, elementele tuturor cuplelor cinematice conducătoare pentru ca obiectul manipulat să atingă pe rând situările prevăzute în etapele procesului tehnologic.

Poziţiile relative ale elementelor cuplelor cinematice conducătoare corespunzătoare acestor situări pot fi determinate pe baza modelului geometric. Acesta (pentru un robot dat) exprimă legătura matematică între:

1. situarea (poziţia şi orientarea) ultimului element m (adică a sistemului de coordonate Rm legat de acest element) al dispozitivului de ghidare faţă de elementul 0 (adică faţă de sistemul de coordonate R0 legat de acest element care constituie de baza robotului) exprimat prin matricii de situare 0Tm şi

2. poziţiile relative ale elementelor cuplelor cinematice conducătoare exprimate prin coordonatele generalizate qi, i=1,m (în continuare coordonate coordonatele


cuplelor cinematice conducătoare). Acestea sunt fie unghiuri, fie deplasări liniare, după natura cuplelor cinematice conducătoare (de rotaţie sau de translaţie).Coordonatele cuplelor cinematice conducătoare (sau

mai simplu coordonatele c.c.c.) se obţin pe baza modelului geometric al robotului, printr-un calcul numeric numit calcul de cinematică inversă, din valorile numerice ale elementelor matricii de situare 0Tm.

Rezultă că este necesară determinarea expresiei de calcul a matricii de situare 0Tm pentru fiecare etapă a procesului tehnologic. Spre exemplu pentru etapa a 5-a se obţine din graful robotului o ecuaţie de transformare de tipul:

unde fiecare termen reprezintă, sub formă matricială, situarea relativă a câte două sisteme de coordonate legate de obiectele din mediul robotului. Valorile numerice ale elementelor acestor matrici de situare fie că sunt cunoscute de la început (de exemplu este cunoscut situarea fixă a bazei robotului în hala industrială, adică faţă de sistemul de coordonate RUNIV) sau pot fi determinate (de exemplu poziţia arbitrară a piesei prismatice pe conveior). Rezultă că singurele necunoscute sunt chiar valorile numerice ale elementelor matricii 0Tm.

Elaborând deci pentru fiecare etapă a procesului tehnologic câte o ecuaţie de transformare pentru calculul a matricii de situare 0Tm se obţine un sistem de ecuaţii matriciale care la rândul lor descriu matematic situările relative ale obiectelor din mediu precum şi situările în care trebuie adus pe rând, prin conducere automată, ultimul element al dispozitivului de ghidare. Totalitatea acestor ecuaţii de transformare utilizate pentru calculul lui 0Tm formează modelul matematic al mediului exterior.

În cazul în care procesul tehnologic este extrem de flexibil (cazul când piese de diferite forme sunt transportate în dreptul robotului industrial pe un conveior în poziţii şi orientări aleatoare) modelul mediului exterior se completează


periodic cu informaţiile referitoare la formă, poziţii şi orientări furnizate de un sistem de vedere artificială iar ecuaţiile de transformare se definesc în mod corespunzător.

La planificarea traiectoriei un rol foarte important al sistemului de conducere automată este calculul numeric (pe baza modelului mediului exterior) al elementelor matricii de situare 0Tm pentru fiecare etapă a procesului tehnologic. Acest calcul presupune în prima fază explicitarea termenului 0Tm din ecuaţiile de transformare prin rezolvarea lor, obţinând pentru cazul nostru:

Rezolvarea ecuaţiilor de transformare este efectuată prin mijloace soft cu ajutorul unui program care se realizează de obicei (datorită operaţiilor cu matrici) în limbaje de nivel înalt cu structuri de date specifice gestiunii listelor.

Ecuaţiile de transformare care definesc modelul mediului exterior pot fi aduse la o formă generală şi tipică rezolvării problemei de planificare a traiectoriei. În acest scop se pot introduce următoarele notaţii:

unde s(t) este o funcţie de timp (o lege de mişcare) care descrie mişcarea rectilinie şi (în cazul general) cu viteză variabilă a sistemului de coordonate (Rconv) legat de conveior faţă de sistemul de coordonate universal (RUNIV). Această funcţie de timp se poate obţine din semnalele furnizate de traductorul de poziţie montat pe sistemul de antrenare a conveiorului.

Cu aceste precizări transformarea COORD(s) indică evoluţia în timp a situării alezajului piesei prismatice faţă de baza robotului.

Transformarea POS prescrie poziţia relativă a obiectului manipulat faţă de alezajul piesei prismatice.


Transformarea TOOL indică sau situarea efectorului final (a "sculei") sau situarea obiectului manipulat (prin intermediul "sculei") faţă de ultimul element m al dispozitivului de ghidare, poate să ia forme diferite specifice fiecărei etape. De exemplu înaintea apucării obiectului:

iar după apucare:

Cu notaţiile introduse rezultă forma generală tipică a problemei de planificare a traiectoriei:

Dacă dorim atingerea aceeaşi poziţii relative (POS) la

poziţiile s1 şi s2 diferite ale conveiorului, atunci:

Adică dacă în poziţia s1 a conveiorului am planificat mişcareaa robotului atunci, pe baza relaţiei de mai sus putem

determina, pentru o poziţie arbitrară s(t) a conveiorului poziţia a robotului în care poziţia relativă a obiectului faţă de gaură va fi cea prescrisă prin POS(t).

La planificarea traiectoriei, în prima etapă, se obţin deci fie prin instruire fie prin calcul situările ultimului element al dispozitivului de ghidare corespunzătoare situărilor ţintă şi via din cadrul fiecărei etape a procesului tehnologic. Având în vedere că prin transformarea TOOL se poate realiza oricând o corelaţie între sistemul de coordonate legat de obiectul manipulat cu originea în punctul caracteristic şi sistemul de coordonate legat de ultimul element al dispozitivului de ghidare în continuare vom efectua planificarea traiectoriei prin urmărirea evoluţiei în timp a poziţiei punctului caracteristic respectiv a orientării sistemului de coordonate legat de obiectul manipulat. În etapele în care dispozitivul de ghidare se mişcă fără să fie apucat obiectul de către efectorul


final se va considera drept punct caracteristic punctul de sculă şi se va urmări evoluţia mişcării acestuia respectiv a mişcării de orientare a sistemului de coordonate legat de sculă (efector final) cu origine în punctul de sculă. Astfel, la conducerea automată a robotului industrial, se mai pune problema, pe lângă determinarea punctelor ţintă şi via prin care trebuie să treacă punctul caracteristic şi a generarea unor mişcări ale elementelor dispozitivului de ghidare cu scopul atingerii pe rând a acestor puncte. Prin urmarea acestor mişcări punctul caracteristic descrie în spaţiul cartezian întotdeauna o traiectorie. Aceasta poate să fie impusă sau nu, iar parcurgerea sa poate fi efectuată cu acceleraţie nulă, discontinuă sau continuă.

Indiferent de cazurile arătate anterior conducerea automată presupune utilizarea de către sistemul de conducere a unui algoritm de conducere care au la bază forma matematică a unei (sau a mai multor) legi de mişcare. Prin intermediul acestora poate fi descrisă în fiecare moment al mişcării, ori situarea EF (sau al obiectului manipulat) prin intermediul coordonatelor carteziene ori direct poziţiile relative ale cuplelor cinematice conducătore - c.c.c. (prin intermediul coordonatelor c.c.c.). Aceste legi de mişcare sunt de fapt funcţii de timp şi în robotică sunt denumite funcţii de conducere.

Legătura spaţiu-timp dintre funcţiile de conducere şi punctele ţintă sau via este realizată prin aceea că la anumite momente impuse valorile numerice calculate pentru funcţiile de conducere trebuie să coincidă cu valorile coordonatelor punctelor respective.

În funcţie de faptul că traiectoria este impusă (şi în consecinţă este şi descrisă în spaţiul coordonatelor carteziene) sau nu mişcarea poate fi urmărită respectiv conducerea poate fi efectuată fie în spaţiul coordonatelor carteziene (în continuare: în coordonate carteziene) fie în spaţiul coordonatelor c.c.c. (în continuare: în coordonate c.c.c.).

Funcţiile de conducere utilizate în cazul "metodei" de conducere în coordonate c.c.c. sunt funcţii polinomiale de

183 Introducere în Roboticătimp iar cele utilizate în cazul metodei de conducere în coordonate carteziene sunt funcţii matriciale de timp.

Indiferent de coordonatele în care se realizează conducerea în cadrul planificării mişcărilor este necesară stabilirea funcţiilor de conducere pentru fiecare segment de mişcare definit prin două puncte ţintă sau via consecutive. Prin stabilirea funcţiilor de conducere se are în vedere atât alegerea unei (sau a unor) funcţii de timp adecvate metodei de conducere stabilită cât şi calculul coeficienţilor acestuia care se realizează off-line adică înaintea începerii mişcărilor.

5.3.3.2. Generarea traiectoriei

La generarea traiectoriei sistemul de conducere automată generează prin calcul punctele traiectoriei ce trebuie descrisă în mişcare.

În sistemul de conducere al robotului există un bloc (calculator dedicat sau subrutină software) numit generator de traiectorie (GT). Acest bloc calculează, pe baza unor algoritmi de conducere, fie în coordonate carteziene, fie în coordonatele cuplelor cinematice conducătoare (c.c.c.), valorile numerice discrete ale funcţiilor de conducere, la intervale de timp constante numite perioade de generare şi cuprinse de regulă între 0,05 [s] şi 0,005 [s] (funcţie de viteza de calcul a sistemului de conducere). Aceste valori numerice corespund unor poziţii relative succesiv ocupate de elementele dispozitivului de ghidare DG.

Astfel GT calculează situările succesive la care trebuie conduse elementele DG şi realizează, de fapt, corespondenţa spaţiu-timp în mişcare. Se asigură concomitent trecerea prin punctele ţintă şi via impuse şi o deplasare lină fără şocuri. Schematic blocul generator de traiectorie se reprezintă ca în fig.5.40:


Fig. 5.40. Blocul generator de traiectorie

Generatorul de traiectorie primeşte ca date de intrare condiţiile impuse pentru deplasare respectiv condiţiile impuse de dinamica sistemului mecanic. La ieşirea GT se obţine, cu o frecvenţă de repetiţie cuprinsă între 20 şi 200 [Hz], poziţii, orientări, viteze, acceleraţii - carteziene sau c.c.c. - care sunt impuse succesiv pentru deplasarea elementelor mecanice. Valorile numerice calculate de GT ale poziţiilor, vitezelor şi acceleraţiilor reprezintă mărimile de prescriere pentru sistemul de acţionare care asigură, în final, controlul nemijlocit al mişcărilor sistemului mecanic.

Trebuie menţionat că mişcarea este sintetizată la nivelul fiecărei c.c.c. acţionată individual. De aceea, în cazul conducerii în coordonate carteziene, GT efectuează suplimentar şi un calcul de cinematică inversă pentru fiecare punct de pe traiectoria carteziană, de pe urma căruia stabileşte coordonatele c.c.c. prescrise sistemului de acţionare.

5.3.3.3. Controlul nemijlocit al mişcărilor

Controlul nemijlocit al mişcărilor se efectuează descentralizat, la nivelul fiecărei axe în parte de către procesorul de ax al sistemului de acţionare pe baza valorilor prescrise şi furnizate de generatorul de traiectorie.


În cazul roboţilor industriali se utilizează atât sisteme de control nemijlocit în buclă închisă cât şi sisteme cu buclă deschisă.

În figura 5.41 s-a reprezentat principiul controlului nemijlocit al mişcării relative a două elemente consecutive ale dispozitivului de ghidare în buclă închisă. Se utilizează două traductoare: una pentru măsurarea continuă a poziţiei unghiulare şi una pentru măsurarea vitezei de variaţie a poziţiei unghiulare a celor două elemente.

Fig. 5.41. Principiul controlului în buclă închisă

Pe baza acestor informaţii referitoare la poziţie şi viteză curentă respectiv pe baza valorilor prescrise a poziţiei cât şi a vitezei se determină o mărime de comandă cu care va fi comandat motorul via unei interfeţe specifice fiecărui tip de motor de acţionare. Astfel se asigură o deplasare din poziţia unghiulară curentă în cea prescrisă cu viteza prescrisă.


Fig. 5.42. Principiul controlului în buclă deschisă

Controlul nemijlocit al mişcării se realizează cu mijloace numerice utilizând în acest scop un procesor de ax. Aceasta are funcţia de regulator şi elaborează câte o mărimea de comandă a motorului la perioade egale de timp numite perioade de eşantionare pe baza unui algoritm de reglare numerică. Astfel se realizează nu numai controlul mişcării dar şi reglarea sa.

Sistemele de control cu buclă deschisă (fig.5.42.) sunt caracterizate prin lipsa traductorului de poziţie şi a celui de viteză. Astfel procesorului de ax nu sunt furnizate informaţii referitoare la poziţia curentă ci doar valoarea numerică a următoarei poziţii. Astfel de sisteme sunt specifice acţionărilor cu motoare electrice pas cu pas respectiv a sistemelor de urmărire electro-hidraulice. În acest caz rolul procesorului de ax este elaborarea mărimii de comandă a motorului de acţionare (a unui tren de impulsuri) în concordanţă cu valoarea prescrisă curentă şi cea anterioară a poziţiei.


5.3.3.4. Noţiuni de programare a roboţilor industriali

În cazul sistemelor de conducere automată problemele de planificare, generare şi de control sunt soluţionate prin intermediul unui soft de conducere. Aceasta realizează nu numai conducerea automată a robotului dar şi dialogul cu operatorul uman.

Prin dialog se înţelege posibilitatea operatorului uman de a se transmite comenzi către sistemul de conducere în vedere efectuării de către robot a unei operaţii (mişcări). Aceste comenzi pot fi transmise fie prin intermediul unor butoane de comandă amplasate pe un panou operator fie pot fi "introduse" prin intermediul unei console de programare (tastatură şi display) sau prin intermediul unui dispozitiv extern de introducere a datelor (de exemplu un calculator personal).

Comenzile care se introduc prin intermediul consolei de programare sunt macrocomenzi şi pot fi executate imediat sau pot fi înmagazinate în memoria sistemului de conducere sub forma unui program de aplicaţie.

Programul de aplicaţie conţine un set de informaţii codificate cu privire la operaţiile, care urmează a fi executate de robotul industrial. Macrocomenzile se referă la valorile succesive ale parametrilor poziţionali, ale vitezei liniare/unghiulare relative ale elementelor cuplelor cinematice conducătoare, timpii de repaus relativ al acestor elemente, dispoziţii pentru mişcarea sistemului mecanic, dispoziţii către procesul tehnologic, legături logice între secvenţe, temporizări, aşteptări, salturi etc. Programul de aplicaţie poate fi lansat în execuţie fie prin intermediul unui buton de pe panoul operator, fie prin introducerea şi lansarea în execuţie, cu ajutorul consolei de programare, a unei macrocomenzi de "start".

În cadrul programului de aplicaţie macrocomenzile sunt organizate sub formă de linii de program care, în cazul rulării automate, sunt lansate în execuţie pe rând respectiv în mod automat. Ordinea lansării în execuţie a liniilor de program este dată de logica programului.


Prin lansarea în execuţie a unei linii de program de aplicaţie, practic se activează anumite subrutine din cadrul soft-ului de conducere prin intermediul macrocomenzilor. Astfel operatorul care realizează programul de aplicaţie are acces la soft-ul de conducere doar prin macrocomenzile definite de producător.

După modul de lucrul al robotului programele de aplicaţie pot fi clasificate în: programe secvenţiale, de tip punct cu punct, de tip multipunct şi cele care asigură o conducere pe traiectorie continuă.

Programele secvenţiale permit realizarea mişcărilor relative ale elementele cuplelor cinematice conducătoare în mod succesiv, simultan existând mişcare doar într-o singură cuplă cinematică. De exemplu cazul unui robot TTT la care deplasarea punctului caracteristic între punctele 1 şi 2 (fig.5.43.) se realizează succesiv: întâi se realizează o translaţie paralelă cu OX până în punctul 1' apoi o translaţie paralelă cu OY până în punctul 1'' şi în sfârşit ultima translaţie paralelă cu OZ până în punctul 2.

Fig. 5.43. Secvenţe la comanda secvenţială

Mişcarea secvenţială prezintă avantajul unei conduceri simplificate (la un moment dat este controlată numeric doar o singură axă). Dezavantajul constă în faptul că deplasarea până la punctul ţintă durează foarte mult (în timpul deplasării unei cuple celelalte stau) deci rezultă o productivitate

189 Introducere în Roboticăscăzută. De regulă acest tip program se utilizează la roboţi simplii şi la manipulatoare, iar punctele ţintă sunt învăţate.

Programele de tip punct cu punct (PTP) sunt utilizate atunci când nu este necesară (din punctul de vedere al procesului tehnologic) impunerea unei anumite traiectorii între poziţia curentă şi cea următoare (via sau ţintă) dar dorim mişcări simultane pe toate axele.

Fig. 5.44. Programe de tip punct cu punct

În acest caz singura condiţie impusă este ca traiectoria să nu fie una de coliziune. Ne interesează doar trecerea obligatorie a punctului caracteristic (de exemplu) prin poziţiile 1 şi 2 din fig.5.44. Mişcările pe fiecare axă vor fi începute deodată şi se vor termina deodată. Astfel, mişcarea având loc simultan pe toate axele, se obţine o creştere a productivităţii, dar traiectoria obţinută rămâne una oarecare, imprevizibilă, greu exprimabilă matematic şi cu un aspect absolut oarecare pentru operatorul uman.

La programe de tip multipunct (MTP) se impune trecerea punctului caracteristic din punctul curent 1 (fig.5.45.) în punctul 2 printr-un anumit număr de puncte de precizie (de la 11 la 15). Astfel se asigură o deviaţie maximă a traiectoriei reale faţă de cea ideală. Această deviaţie este cu atât mai mică cu cât se impune trecerea punctului caracteristic prin mai multe puncte de precizie.


Cel mai frecvent caz de aplicare al acestui tip de program este cazul vopsirii prin pulverizare. La învăţare, un vopsitor cu experienţă are pistolul de vopsit în mână şi de mâna lui este legat şi efectorul final EF al robotului. Dacă braţul robotului este de construcţie masivă se utilizează instalaţii master-slave în care master-ul este de construcţie miniatură şi se leagă nemijlocit de mâna vopsitorului, iar slave-ul este robotul propriu-zis care execută aceeaşi mişcări ca şi master-ul. Cu o frecvenţă cuprinsă între 20200 [Hz] se memorează punctele atinse la nivelul fiecărei c.c.c. La rularea programului robotul execută singur trecerea prin punctele învăţate.

Fig. 5.45. Secvenţe la comanda de tip multipunct

Programele de traiectorie continuă (CP) se utilizează la acele operaţii tehnologice în care punctul caracteristic trebuie să urmeze o traiectorie anume în spaţiul cartezian. De exemplu sudura după rost, debavurarea etc. În cadrul acestor operaţii se impune ca punctul caracteristic să urmeze riguros un anume drum.

De regulă, se încearcă exprimarea analitică a traiectoriei impuse sau se procedează la aproximarea traiectoriei impuse pe porţiuni cu segmente de curbe simple: drepte, arce de cerc, arce de parabolă, fracţiuni de sinusoidă.


Dacă în cadrul programului de traiectorie continuă se prevede ocuparea pe rând de către punctul caracteristic a unor poziţii distribuite uniform pe o suprafaţă (de obicei plană) acel program se numeşte program de suprafaţă.

În cazul în care se prevede ocuparea pe rând de către punctul caracteristic a unor poziţii distribuite uniform în interiorul unui volum (de obicei paralelipipedic) se obţin aşanumite programe de volum.

Totalitatea macrocomenzilor care pot fi utilizate în cadrul programelor de aplicaţie formează limbajul de programare al robotului industrial. Limbajele de programare existente pot fi grupate pe cinci niveluri după gradul lor de complexitate:

1. Limbaje de programare de nivel 1 (de bază) - hardware,

2. Limbaje de programare de nivel 2 (punct cu punct),3. Limbaje de programare de nivel 3 (de mişcare),4. Limbaje de programare de nivel 4 (structurate),5. Limbaje de programare de nivel 5 (orientate pe

task-uri).

Limbajele care pot fi incluse în categoria limbajelor de programare de nivel 1 sunt limbaje de asamblare şi sunt utilizate pentru a programa funcţii de control în timp real.

Limbajele de nivel 2. (de ex. T3, Funky) sunt cele mai utilizate în programarea roboţilor. Controlul robotului este realizat prin salvarea unor coordonate din spaţiul de lucru al robotului care se obţin ghidând mişcarea acestuia, în regim de instruire sau în regim manual.

În comparaţie cu limbajele de nivel 2, limbajele de "mişcare" (VAL, EMILY, RCL, SIGLA, RPL, ANORAD) au următoarele caracteristici:

posibilităţi de salt (ramificări în program), folosirea subrutinelor (cu parametrii care pot fi

transmişi), posibilitatea de a iniţia activităţi paralele.


Limbajele de acest nivel sunt interpretoare (avantajos din punct de vedere al depanării) sau asambloare. Excepţie face limbajul RPL care este compilator.

Limbajele de programare de nivel 4 conţin structuri de control a robotului şi permit un grad mai mare de utilizare al transferului de coordonate. Ele au posibilitatea de a lucra cu structuri de date, prezintă îmbunătăţiri faţă de limbaje de nivel 3 în ceea ce priveşte lucrul cu senzori, acţiunile paralele şi utilizarea variabilelor de stare predefinite. Aceste limbaje, în marea lor majoritate se bazează pe limbaje structurate existente cum sunt ALGOL sau PL/1.

Limbajele de nivel 5 (de ex: AUTOPASS) sunt orientate pe task-uri. Aceste limbaje tind să "facă invizibile" pentru utilizator resursele de adaptare a robotului la mediul de lucru (senzorii) şi transformările de coordonate. Limbajele de acest nivel sunt proiectate astfel încât să semene cât mai mult cu construcţiile specifice gândirii umane. Ele cuprind în general patru clase de macrocomenzi de schimbare de stare a obiectelor (ex. place), dedicate sculei (ex. operate), de fixare şi de asamblare (ex. rivet - nituire, insert - screw - înşurubare, weld - sudură, etc.). Aceste macrocomenzi semnifică exact ceea ce utilizatorul crede că reprezintă, şi de aceea sunt uşor de înţeles şi de folosit. Dedicate conducerii roboţilor cu adaptare la mediu (prin senzorii tactili şi de vedere artificială) ele reclamă resurse de modelare a mediului exterior, de luare a deciziilor de tip asamblare de obiecte.

5.3.3.5. Arhitectura generală a sistemului de conducere automată

Arhitectura generală a sistemului de conducere automată de tip multiprocesor, al unui robot industrial ce prezintă k grade de mobilitate se prezintă în figura 5.46.

Se pot identifica următoarele elemente componente ale hipersistemului robot:

- sistem de comandă;- sistem de acţionare;- sistem mecanic;- sistem de diagnoză;

= sistem de conducere


- sistem de preparare a energiei.Dacă primele trei sisteme enumerate mai sus apar

întotdeauna în componenţa robotului, ultimele două sisteme sunt sisteme auxiliare şi apar funcţie de necesitatea realizării/nerealizării diagnozei robotului şi respectiv de necesitatea sau nu a producerii agentului de transmitere a energiei în cadrul robotului.

Sistemul de comandă realizează funcţia de comandă, care prescrie începutul şi sfârşitul diferitelor activităţi ale robotului şi a parametrilor care caracterizează aceste activităţi.


Fig. 5.46. Arhitectura sistemului de conducere văzută din prisma interconexiunilor ce apar în cadrul hipersistemului robot

Interfaţă(IFk)

Procesor de ax (PAk)controler, regulator

de ax

Interpolator Ik

Generatortraiectorie

Unitate centrală de prelucare a

infor-maţiei (modelare)

Interfeţe cu alte

sisteme

TPk

TVk

Mk

SISTEM DE ACŢIONARE

Transmisie Tk

Frână Fk

ElementeC.C.C. “k”

SISTEM MECANIC

Dispozitiv de supraveghere

şi diagnoză

Aparate de măsură +

traductoare + senzori

Traductoare+ senzori

Senzori

Dispozitive introducer

e date

MM

E

D

I

U

SISTEM DE COMANDĂ

SISTEM

DE

DIAGNOZĂ

SISTEM DE PREPARARE A ENERGIEI

Program

n sisteme

n sisteme

Dispozitiv de stocare

a informaţie

i


Din figura 5.46. se observă că elementele componente ale sistemului de comandă sunt:

- unitatea centrală de prelucrare a informaţiei (modelare) – componentă ce coordonează sistemul de comandă al robotului şi care realizează următoarele funcţii:

evaluarea stării procesului şi a mediului în care evoluează robotul;

stabilirea conexiunilor/legăturilor logice în concordanţă cu programul de realizat;

stabilirea condiţionărilor/interblocărilor; analiza informaţiilor furnizate de senzori; analiza informaţiilor furnizate de sistemul de

diagnoză; transmiterea de informaţii spre generatorul de

traiectorie în vederea realizării conducerii robotului; schimb de informaţii cu dispozitivul de stocare

a bazelor de date a sistemului de comandă.- programul – un set de informaţii codificat – ce conţine:

date, informaţii referitoare la diferiţi parametrii ai procesului şi mişcărilor comandate, respectiv referitoare la porniri/opriri; conexiuni logice de tip “IF”; salturi peste anumite părţi de program; date referitoare la mediu, proces; instrucţiuni de interogare a unor traductoare, senzori.

- dispozitivul de introducere date – care, în general, se materializează prin tastatură;

- dispozitiv de stocare a informaţiei, care are ca rol memorarea unor date şi redarea lor la momentul dorit; din punct de vedere constructiv dispozitivul de stocare a informaţiei poate fi magnetic, electric, mecanic sau fluidic.

- senzori ce prelevează informaţia de la mediul în care evoluează robotul; în unele cazuri ataşat senzorilor apar în cadrul sistemului de comandă şi procesoare aferente acestora – în special la senzorii vizuali şi respectiv la cei de forţă/moment;

- interfeţele cu alte sisteme realizează: comunicaţia cu sisteme de conducere ierarhic

superior (spre ex.: intrare paralelă Centronics, intrare/ieşire serială RS232C);


Fig. 5.47. Tipuri de interfeţe cu perifericele

sincronizarea programelor de aplicaţie cu comenzile numerice ale staţiilor deservite, intrări/ieşiri numerice binare;

planificarea traiectoriei prin învăţare (teach in) prin utilizarea panoului de instruire;

consolă de programare opţional, când lipseşte unitatea de programare. - generatorul de traiectorie.Sistemul de diagnoză are în componenţa sa aparate de

măsurare, traductoare şi senzori astfel amplasaţi încât să preleveze informaţii despre starea sistemului mecanic al robotului şi, respectiv, despre starea sistemului exterior - în care evoluează robotul. Aceste informaţii sunt prelucrate de către dispozitivele de supraveghere şi diagnoză prelucrate şi transmise către unitatea centrală.

În ultimii opt ani s-au pus bazele unei noi concepţii de conducere a robotului, care ţine seama tocmai de scopul conducerii robotului.

Acest tip de conducere se numeşte “conducere senzorială” (sensory control – ISO 8373), iar arhitectura cea mai simplă a unui sistem robot care să prezinte o astfel de conducere este redată în figura 1.4.

Începând cu anul 1991 [Hash91a] a introdus pentru prima oară sintaxa de “visual servoing”. Acesta defineşte

197 Introducere în Robotică“sistemul servo-vizual” ca fiind un sistem de conducere globală (sistem de conducere cu buclă de reacţie de la mediu) care se bazează în culegerea informaţiilor pe sisteme vizuale.

Aceste tipuri de sisteme servo-vizuale se implementează în special la roboţii autonomi care lucrează în medii necunoscute.

Fig. 5.48. Arhitectura unui sistem ce prezintă o conducere senzorială

5.3.4. Conducerea mixtă (de supervizare) a roboţilor industriali

Comanda mixtă se realizează prin conlucrarea operatorului cu un sistem automat în conducerea robotului industrial. Acestui tip de comandă i se mai spune şi de "supervizare", în sensul că operatorul supraveghează acţiunea comenzii automate şi intervine pentru a o completa sau corecta. Ca urmare, în cadrul conducerii mixte se realizează un sistem om-maşină de o structură evoluată, care pe lângă operator şi robot industrial cuprinde şi conducerea automată.

Acţiunea mixtă a operatorului şi conducerii automate poate dura tot timpul operaţiei humanoide sau doar în anumite intervale de timp ale acesteia.

În cazul unor roboţi industriali cu un număr de grade de mobilitate mare (5-8), conducerea manuală integrală a acestuia devine dificilă. O modalitate de a realiza o asemenea

Planificare traiectorie

Regulator global

Sistem mecanic

Senzor “extern”

M

E

D

I

U

Perturbaţii


conducere este aceea de a conferi operatorului controlul asupra mişcării relative a elementelor unui număr de cuple cinematice conducătoare, conducerea celorlalte cuple cinematice conducătoare făcându-se automat, operatorul şi sistemul de conducere automată. Spre exemplu operatorul comandă sincron mecanismul generator de traiectorie, iar mişcările mecanismului de orientare sunt conduse automat, impunându-se condiţii privind poziţiile de ocupat de către dreapta caracteristică. Abaterile de la mişcarea impusă cauzează apariţia într-un element al mecanismului de orientare a unor momente/forţă ale căror mărimi vectoriale diferă de mărimile momentelor/forţelor care apar la mişcare impusă.

Aceste abateri sunt sesizate de un senzor de forţă/moment cu şase componente înglobate în elementul considerat, semnalele comunicate unui dispozitiv de com-parare declanşează comenzi către sistemul de acţionare pentru corectarea abaterii. De exemplu testul "paharului" impune dispozitivului de prehensiune, împreună cu obiectul solidarizat cu el, să rămâne mereu în poziţie verticală. Dacă obiectul este un pahar, conţinutul lichid al acestuia nu se varsă în timpul deplasării.

Autorii, Vukobratovici şi Stokici, au denumit acest model de conducere ca realizându-se după principiul sinergiei.

Există mai multe modalităţi de a departaja în timp acţiunea aparatului şi cea a sistemului şi cea a sistemului automat. Unele din ele se bazează pe conducerea "sinergică" a roboţilor industriali de către operator, comenzii automate revenindu-i sarcini de conducere tactică.

Unii roboţi industriali descentralizează operaţia de prehensiune. Dispozitivul de ghidare este comandat sincron de un operator; în momentul în care senzorii de proximitate sesizează apropierea dispozitivului de prehensiune de obiect, comanda automată preia controlul dispozitivului de prehensiune, comandă mişcările acestuia şi reglează în mod automat strângerea bacurilor.


Instalaţii mai avansate modifică în mod automat repartizarea temporară a sarcinilor de conducere pe operator şi sistemul de conducere automată.

Fig. 5.49. Sistemul de control autonom [Universitatea din California]

Sistemul de control autonom realizat la Universitatea din California permite conducerea sincronă a robotului industrial şi memorarea operaţiei într-un sistem de control al traiectoriei şi unul de control al senzorilor. Comanda unei operaţii realizate în condiţii identice se preia de către sistemul automat (fig.5.48.).

Un dispozitiv special permite evaluarea "succesului" operaţiei, deci coincidenţa rezultatului obţinut cu scopul propus. În cazul în care, datorită modificării condiţiilor în care se execută operaţia, se înregistrează o anumită pondere de "insucces" instalaţia încredinţează în mod automat operatorului comanda ei.


CAPITOLUL 5 SISTEMUL DE COMANDĂ...................1245.1. Introducere.............................................................1245.2. Traductoare şi senzori utilizaţi în construcţia roboţilor

1255.2.1. Traductoare......................................................1255.2.2. Senzori.............................................................1255.2.3. Senzori utilizaţi în conducerea adaptivă a roboţilor........................................................................125

5.3. Comanda robotului.................................................1255.3.1. Noţiuni introductive..........................................1255.3.2. Conducerea manuală a roboţilor......................1255.3.3. Conducerea automată a roboţilor....................125

5.3.3.1. Planificarea traiectoriei..............................1255.3.3.2. Generarea traiectoriei................................1255.3.3.3. Controlul nemijlocit al mişcărilor................1255.3.3.4. Noţiuni de programare a roboţilor industriali

1255.3.3.5. Arhitectura generală a sistemului de conducere automată..................................................125

5.3.4. Conducerea mixtă (de supervizare) a roboţilor industriali......................................................................125

cap 5

Documents