Robotica

7 Robotica

7.1 Introducere

În mod preponderent, procesele de lucru sunt continue şi se desfăşoară atâta timp cât sunt îndeplinite anumite condiţii (spre ex.: încălzirea obiectului de lucru la o anumită temperatură, alimentarea cu energie electrică a maşinii de lucru, etc.).

Automatizarea proceselor de lucru se rezolvă prin acţiunea unor mijloace tehnice relativ simple.Procesele de manipulare sunt discontinue. Ele se materializează prin faptul că se compun din mai multe

secvenţe (operaţii) cu început/sfârşit a căror derulare se intercondiţionează reciproc şi a căror complexitate este mai mare decât cea a secvenţelor proceselor continue. Exemple de asemenea secvenţe sunt în procesele industriale pornirea/oprirea sistemelor tehnice, încărcarea /descărcarea cu dispozitive, depozitarea /extragerea din depozit a unor obiecte, schimbarea /manevrarea /reglarea unor scule, dispozitive sau utilaje, măsurarea /controlul obiectelor de lucru, întreţinerea /repararea unor utilaje etc.

7.2 Robot. Robotica

In varianta “clasică” de desfăşurare a proceselor de manipulare, operatorul uman intervine în realizarea secvenţelor amintite cu mâna sa, deplasată cu ajutorul braţului, sub supravegherea ochilor săi, coordonarea ochi-mână realizându-se de creierul operatorului. S-a putut trece la automatizarea proceselor de manipulare doar după ce s-au realizat sisteme tehnice capabile să efectueze automat operaţii similare cu cele efectuate de operatorul uman. Asemenea sisteme sunt roboţii.

Robotul este un sistem mecatronic mobil, comandat pe baza unui program, capabil să execute operaţii simulare cu cele executate de om. Robotul poate manipula un obiect de lucru, sculă sau dispozitiv în scopul de a-i schimba situarea în spaţiu, sau o sculă (posibil împreună cu un cap de forţă) cu scopul de a determina o acţiune a acestuia asupra unui obiect de lucru.

Robotica este o ştiinţă în plină dezvoltare. Rapida evoluţie a construcţiei şi aplicaţiilor roboţilor pe de o parte, pe de altă parte timpul scurt care a trecut de la apariţia acestui domeniu nou de ştiinţă, nu a permis încă clarificarea univocă a tuturor noţiunilor cu care operează şi codificarea acestora. Această stare de fapt se reflectă chiar în definirea noţiunii de robot. Ea este codificată în mod diferit în diverse standarde sau formulări ale unor instituţii de specialitate.

Normele franceze (Normalisation française, NF) dau definiţiile cele mai explicite şi corelate logic. Norma franceză NF61-100 dă următoarea definiţie:

“Robotul este un mecanism de manipulare automată, aservit în poziţie, reprogramabil, polivalent, capabil să poziţioneze şi să orienteze materiale, unelte sau dispozitive specializate, în timpul unor mişcări variabile şi programate, destinate executării unor sarcini variate”.

Standardul german DIN 2801 defineşte:“Roboţii industriali sunt automate mobile cu aplicaţii universale, cu mai multe axe, ale căror mişcări

sunt liber programate pe traiectorii sau unghiuri într-o anumită succesiune a mişcărilor şi în anumite cazuri, comandate prin senzori. Ei sunt echipaţi cu dispozitive de prehensiune, scule sau alte mijloace de fabricaţie şi pot îndeplinii activităţi de manipulare şi de fabricaţie. Robotul industrial poate fi montat fix, într-un anumit loc sau poate fi deplasat ca un ansamblu.

În standarde japoneze se precizează:“Robotul este un sistem mecanic, dotat cu funcţiile motoare flexibile analoage cu cele ale

organismelor vii sau imitaţii ale acestora, cu funcţii inteligente, sisteme care acţionează corespunzător voinţei omului”.

După standarde ruseşti:

41

Robotica

“Robotul industrial este o maşină automată staţionară sau deplasabilă, constând din dispozitivul de execuţie, având mai multe grade de libertate şi din dispozitivul reprogramabil de comandă după program pentru îndeplinirea în procesul de producţie a funcţiilor motoare şi de comandă”.

Institutul de Robotică din America (Robot Institute of America, RIA) precizează că:"Robotul este un manipulator reprogramabil multifuncţional, destinat să deplaseze materiale, piese,

scule sau aparate, prin mişcări programate variabil, în scopul îndeplinirii unor sarcini diferite.Robotul este componenta evoluată de automatizare, care combină electronica de tip calculator cu sisteme

avansate de acţionare mecanică, pentru a realiza un echipament independent de mare flexibilitate.Robotul este un echipament cu funcţionare automată, adaptabil condiţiilor unui mediu complex - în care

el evoluează - prin reprogramare, reuşind să prelungească, să amplifice şi să înlocuiască una sau mai multe din funcţiile umane în acţiunile acestuia asupra mediului înconjurător."

După definiţia Asociaţiei Britanice de Robotică (British Robot Association):„Robotul este un dispozitiv reprogramabil, realizat pentru manipularea pieselor, sculelor şi altor

mijloace de producţie, prin mişcări variabile programate, pentru a îndeplinii sarcini specifice de fabricaţie”.

Definiţiile citate mai sus circumscriu principalele caracteristici ale robotului. Deficienţa lor constă în utilizarea unor noţiuni, care la rândul lor se cer a fi definite. Pentru a ocolii această dificultate, în se va înţelege prin robot un sistem mecanic mobil condus după un program, capabil să execute automat operaţii pe care le efectuează omul, folosindu-şi mâna şi braţul, sub supravegherea ochilor, coordonarea mână-ochi realizându-se de creier [KOV 01]. Asemenea operaţii sunt cele de manipulare. Robotul are în componenta sa cel puţin un mecanism articulat.

Denumirea de robot se aplică unei familii mai largi, din care fac parte: manipulatorul, instalaţia de teleoperare, proteze / orteze, manipulatoare medicale, exoschelete amplificatoare, maşini păşitoare, maşini târâtoare.

Robotul utilizat în producţia de bunuri materiale poartă denumirea de robot industrial, iar cel utilizat în prestări de servicii, robot pentru prestări de servicii.Robotica este domeniul de ştiinţă care se ocupă, în sens larg, de cercetarea şi realizarea automatizării interacţiunii omului cu mediul în care trăieşte. In Tab. 7.1 se prezintă elementele componente ale Roboticii, considerat ca sistem.Sistemele care utilizează roboţi poartă numele de sisteme robotice.

Tab. 7.1

RO

BO

TIC

A

Cercetarea

RoboţilorConcepţiaFabricaţiaUtilizarea

Sisteme care lucrează fără intervenţia continuă sau la momente prescrise ale operatorului uman;

utilizate în producţia de bunuri materiale şi/sau prestări de servicii;

Maşini

Instalaţii

DispozitiveSenzoriActuatoriInteligenţă artificială

7.3 Familia Robot

Acţiunea robotului este în acelaşi timp şi o adecvare a omului sănătos la mediul său. Prin adecvare se înţelege procesul de adaptare a “ceva” la cerinţele scopului său. Adecvarea omului la mediul său conduce la creşterea eficienţei interacţiunii sale cu acest mediu.

Mediul normal este mai mult sau mai puţin ostil omului, prin cerinţe de efort fizic/psihic pentru realizarea interacţiunii, respectiv prin perturbaţiile care sunt impuse omului de către mediu (cald/frig,

42

Robotica

zgomot/vibraţii, efecte luminoase provocatoare de orbire temporară/întuneric, degajare de gaze/radiaţii nocive, etc.). Robotul industrial şi robotul pentru prestării de servicii adecvează omul cu mediul normal, ca şi manipulatorul, prin acţiunile de înlocuire, măcar parţială, a acţiunii omului.

Manipulatorul se deosebeşte de robot prin faptul că are o structură mecanică mai simplă decât a robotului (cu mai puţine grade de mobilitate) şi este comandat după un program rigid (spre deosebire de robot, care este comandat după un program flexibil). Unele cărţi de specialitate denumesc manipulatorul sistemul mecanic al robotului. Manipulatorul poate fi acţionat de un sistem de acţionare propriu sau de către operatorul uman (manipulator echilibrat cu comandă şi acţionare manuală).

Exoscheletul amplificator este un mecanism 3D, ataşat corpului operatorului uman, fiind acţionat de un sistem de acţionare propriu, având drept scop amplificarea puterii dezvoltate de om, respectiv amplitudinilor mişcărilor membrelor sale.

Instalaţia de teleoperare adecvează omul normal, sănătos, la un mediu anormal, care este îndepărtat de el, în care nu poate evolua, fie din cauza distanţei, fie datorită faptului că mediul respectiv îi este puternic ostil sau inaccesibil (spre exemplu: “camere fierbinţi” supuse radiaţilor în instalaţii nucleare, fundul mărilor/oceanelor, spaţiul extraterestru).

Protezele, ortezele, manipulatoarele medicale adecvează omul bolnav la mediul normal.Proteza este purtată de omul cu deficienţe, înlocuind un membru superior sau inferior lipsă.Orteza este de asemenea purtată de către omul cu deficienţe, fiind ataşată unui membru al lui, lipsit (din

cauza bolii) de capacitatea naturală de a-i fi comandată mişcarea.Manipulatorul medical efectuează operaţii de manipulare în locul omului imobilizat, în vederea servirii

lui, fiind comandat de acesta în regim de instalaţii de teleoperare (spre exemplu aduce un pahar cu apă la buzele bolnavului).

Robotul poate fi staţionar (imobil faţă de anumite componente ale mediului în care evoluează), sau mobil, deplasabil datorită roţilor/şenilelor sau prin păşire /târâre /căţărare /salt (Fig. 7.1).

Robocarul este un robot mobil care se poate deplasa: pe roţi, robocarele propriu-zise (automated guided vehicle); pe roţi ghidate pe şine, cu şinele aflate pe sol, caz în care se numesc robocare pe şine, sau cu

şinele suspendate, caz în care poartă denumirea de robocare suspendate, care la rândul lor se clasifică în funcţie de sarcina manipulată în: monoraiul suspendat (overhead monorail), destinat transporturilor de sarcini mari, cuprinse

între 25 şi 2.500 kg; vehiculul electric pe şine (Electric Track Vehicle - ETV), destinat transporturilor de sarcini

reduse sub 25 kg; pe şenile, denumite robocare pe şenile; pe roţi şi pernă de aer, robocare pe pernă de aer (Fahrerlosen Luftkissenfahrzeugen);

Maşina păşitoare (walking machines) se deplasează pe sol (orizontal, uşor înclinat, pe trepte sau cu obstacole de amplitudini mici) datorită mişcării succesive a unor elemente care modelează mişcarea picioarelor vietăţilor.

Maşina căţărătoare (climbing machines) se deplasează pe suprafeţe verticale sau puternic înclinate, folosind picioare similare cu cele ale maşinii păşitoare, care din timp în timp se solidarizează cu suprafaţa de sprijin.

Maşina târâtoare (creeping machines) se deplasează pe sol (orizontal, uşor înclinat sau accidentat) prin târâre, într-un mod similar cu căţărarea.

Maşini săritoare (jumping machines) care se deplasează prin salturi;Roboţii, manipulatoarele, instalaţiile de teleoperare, exoscheletele amplificatoare, vehiculele ghidate

automat, maşinile păşitoare, cele căţărătoare şi cele târâtoare se aseamănă structural (au aceleaşi subsisteme - eventual unul dintre acestea, de obicei cel de comandă, fiind înlocuit de om) şi constructiv (spre ex., subsistemul mecanic conţine de regulă unul sau mai multe mecanisme cu cuple cinematice inferioare). Ei sunt membrii ai “familiei robot”.

43

Robotica

Fig. 7.1 Robotul mobil component al „Familiei Robot” [Kov 99], [Kov 00]

Perfecţionarea roboţilor impune în perioada actuală şi probabil cea viitoare perfecţionarea conducerii acestora. Inteligenţa artificială devine tot mai mult componenta esenţială a comenzii roboţilor. Se înţelege prin “inteligenţă” capacitatea mai mare sau mai mică a sistemelor naturale sau artificiale de a se adapta cerinţelor mediului. Inteligenţa artificială este aplicaţia majoră a calculatoarelor. Componenţa “familiei roboţilor” din punctul de vedere al “inteligenţei” artificiale este redată în Tab. 7.2 [DEC 93].

Tab. 7.2

NR

CR

T

CAPACITATENU SE ASEAMĂNĂ CU

OMULSE ASEAMĂNĂ CU

OMUL

Poate repeta programe învăţate

Automaton Automan

Este şi mobil Mechanoid Mandroin

Are senzori şi calculator implantat

Android Humanoid

Este adaptiv şi heuristicCyborg

(cybernetic organism)Syman

(synthetic man)

Are capacităţi fizice şi intelectuale supraumane

Hyborg Supersyman

44

ROBOT

ROBOTSTAŢIONAR

ROBOT MOBIL

MAŞINĂ PĂŞITOARE

MAŞINĂ CĂŢĂRĂTOARE

ROBOCAR

MAŞINĂ TÂRÂTOARE

MAŞINĂ SĂRITOARE

Robotica

În casetele 2.2 - 2.5 şi 3.2 - 3.5 ale tabelului sunt înscrise denumirile diferiţilor membri ai “familiei roboţi”. De remarcat este faptul, că unele denumiri nu au realizări tehnice care să le corespundă efectiv, ele constituind puntea de legătură spre “science-fiction”.

7.4 Structura robotului

Structura robotului poate fi luată în considerare fie din punctul de vedere funcţional, fie din punctul de vedere constructiv.

Structura funcţională a robotului evidenţiază compunerea lui din subsisteme care au o anumite subfuncţiune în sistemul funcţiilor robotului.

Structura constructivă a robotului evidenţiază compunerea din subansambluri constructive (module).La stabilirea structurii funcţionale a robotului se ia în considerare faptul că robotul este destinat să

efectueze operaţii pe care, în regim “clasic” le efectuează omul, cu mâna lui. Cele de mai sus definesc sistemul funcţiilor robotului din punctul de vedere funcţional. Subsistemele

sistemului robot, elementele componente şi legăturile dintre acestea trebuie să aibă subfuncţiuni ale sistemului de funcţii menţionat.Robotul se consideră un sistem de rangul R, iar subsistemele sale, sisteme de rangul R-1. Ca urmare, în cele ce urmează, acestea se vor denumi sisteme.

45

Robotica

In Fig. 7.2 se prezintă schema structurală funcţională a robotului.

46

(S1)Sistem de comandă

în sens larg

Sistem de comandă propriu zis

Senzori Traduc-toare

Aparatede

măsurat

(S3)Sistem

mecanic

Efector final

(S4)Sistem de energizare a fluidului

Sistem de conducere

(S2)

Sistem de acţionare

ME

DIU

Platformă mobilă

ROBOT

Legendă:

Fig. 7.2 Schema structurală funcţională a robotului

- flux de materiale- flux energetic- flux informaţional

Robotica

Sistemul mecanic al robotului, compus din mecanisme, are funcţia scheletului uman, definind natura şi amplitudinea mişcărilor realizate de un subsistem al său, adică efectorul final, care are funcţii corespunzătoare mâinii umane. Un alt subsistem al sistemului mecanic este platforma mobilă, care se regăseşte numai în structura roboţilor mobili şi are funcţia aparatului locomotor uman. Sistemul mecanic preia de asemenea forţele generalizate, acţionând din mediu asupra robotului.

Sistemul de acţionare al robotului impune mişcarea relativă a elementelor mecanismelor sistemului mecanic, având funcţia sistemului muscular al omului. Sistemul de acţionare are ca şi componente câte un element de acţionare pentru fiecare cuplă cinematică conducătoare a mecanismelor sistemului mecanic.

Sistemul de comandă propriu-zis al robotului prelucrează informaţiile despre: starea mediului, starea externă a robotului, caracterizată prin parametrii mediului (temperatură,

presiune, compoziţie, etc.) şi acţiunea acestuia asupra robotului (forţe, cupluri, etc.). starea internă a robotului, caracterizată prin deplasări, viteze, acceleraţii relative, debite, presiuni,

temperaturi etc.,şi emite, în conformitate cu aceste informaţii şi propriul său program, corespunzător funcţiei pe care o are, comenzi către sistemul de acţionare. Ca urmare, sistemul de comandă propriu-zis are funcţia creierului uman.

Sistemul de comandă în sens larg al robotului cuprinde, pe lângă sistemul de comandă propriu-zis şi mijloacele tehnice prin care se culeg informaţiile: senzorii pentru informaţii care nu sunt legate de deplasări (provenite din mediu), traductoarele, pentru informaţii legate de deplasări (provenite în special din subsistemele robotului), ca şi aparatele de măsură, specifice unei instalaţii de teleoperare.

Ca urmare, sistemul de comandă în sens larg al robotului are funcţia sistemului nervos uman.Sistemul de comandă şi sistemul de acţionare constituie subsisteme ale sistemului de conducere al

robotului. Sistemul de conducere al robotului are atâtea axe energetice şi axe de reglare câte elemente de acţionare a cuplelor cinematice conducătoare ale mecanismelor are sistemul mecanic.

Se înţelege prin "mediu" al robotului spaţiul în care acesta evoluează, cu obiectele conţinute şi fenomenele care au loc în acest spaţiu. Totalitatea obiectelor cu care robotul interacţionează constituie "periferia" acestuia.

Legăturile dintre componentele robotului, respectiv ale acestora cu mediul sunt directe şi inverse ("feed back").

Comenzile transmise de sistemul de comandă sistemului de acţionare, care acţionează asupra cuplele cinematice conducătoare ("axele") sistemului mecanic (prin "actuatori"), care la rândul său acţionează asupra mediului (prin "efector final"), constituie legături directe.

Informaţiile furnizate sistemului de comandă de către traductoare, senzori şi aparate de măsură constituie legături inverse.

In cazul sistemelor de acţionare hidraulice, respectiv pneumatice (dacă nu se alimentează din reţeaua de aer comprimat), deci a acelora ce folosesc ca purtător de energie un fluid, robotul conţine şi un sistem de energizare a fluidului (având ca şi componente constituente un grup hidraulic sau un compresor). Acest sistem are funcţiile corespunzătoare aparatelor respirator, digestiv şi circulator ale omului.Legăturile dintre sistemele componente ale hipersistemului robot se realizează prin fluxuri, şi anume:

flux de informaţii: mediu, sistem mecanic, sistem de acţionare, sistem de energizare a fluiduluisistem de

comandă; sistem de comandăsistem de acţionare; mediu sistem de comandă;

flux de energie: sistem de acţionaresistem de comandă; sistem de acţionaresistem mecanic, sistem de energizare a fluidului;

flux de materiale: mediusistem de energizare a fluidului; sistem de energizare a fluidului, sistem mecanicmediu. sistem de energizare a fluiduluisistem de acţionare, sistem mecanic; sistem de acţionare, sistem mecanicsistem de energizare a fluidului;

47

Robotica

Structura constructivă (modulară) a roborului evidenţiază modalitatea de materializare a lui din punctul de vedere constructiv. In caz general, structura constructivă a robotului nu se necesită să fie antropomorfă (excepţie, roboţii cu "arhitectură antropomorfă").

Sistemele constructive componente ale hipersistemului robot (sisteme de rang R) se numesc module (sisteme de rang R-1).

7.5 Clasificarea roboţilor

Federaţia Internaţională de Robotică (IFR), în conformitate cu ISO 8373 [WIR 98], a stabilit în anul 1997 clasificarea după structura constructivă a roboţilor pe următoarele 5 categorii de roboţi:

1. Roboţi cartezieni şi roboţi portali (Fig. 7.3 a), sunt roboţii al căror mecanism generator de traiectorie are 3 cuple motoare de translaţie, având direcţia de mişcare paralelă cu cea a axelor sistemului cartezian de referinţă;

2. Roboţi cilindrici, (Fig. 7.3 b), sunt roboţii al căror mecanism generator de traiectorie are două cuple motoare de translaţie şi una de rotaţie şi a căror axe formează un sistem de coordonate cilindric.

3. Roboţi sferici (polari) (Fig. 7.3 c), sunt roboţii al căror mecanism generator de traiectorie are două cuple motoare de rotaţie şi una de translaţie şi a căror axe formează un sistem de coordonate polar.

4. Roboţi tip SCARA (Selector Complains Arm for Robotics Assemble) (Fig. 7.3d), sunt roboţii al căror mecanism generator de traiectorie are 2 cuple motoare de rotaţie cu axele paralele în plan vertical, iar a treia cuplă motoare este de translaţie pe o direcţie paralelă cu cea a axele cuplelor motoare de rotaţie.

5. Roboţi articulaţi (antropomorfi) (Fig. 7.3 e), sunt roboţii al căror mecanism generator de traiectorie este compus din 3 cuple motoare de rotaţie, două având axele paralele în plan orizontal, iar a treia axă fiind perpendiculară pe direcţia primelor două.

6. Roboţi paraleli (Fig. 7.3 f), sunt roboţii care au dispozitivul de ghidare format din 3-6 cuple motoare de translaţie sau de rotaţie a căror axe sunt concurente într-un punct.

Faţă de structurile mecanice cunoscute se evidenţiază o nouă structură mecanică, specifică unei noi categorii de roboţi, cunoscuţi sub denumirea de roboţi paraleli.

48

Robotica

Fig.7.3 Structuri mecanice de roboţi: a – robot cartezian; b – robot cilindric; c – robot sferic; d – robot tip SCARA; e – robot articulat; f – robot paralel;

49

a)

c)

b)

d)

e)

f)

ROBOT AXELE EXEMPLE

Principiu Schema cinematică Spaţiul de lucru Fotografia

Robot cartezian

Robot sferic

Robot cilindric

Robot SCARA

Robot articulat

Robot paralel