1. NOŢIUNI GENERALE PRIVIND ROBOŢII INDUSTRIALI

1.1. Definiţii şi noţiuni uzuale utilizate

Cuvântul `robot` a fost folosit pentru prima datã în sensul acceptat astãzi în anul 1920 de cãtre scriitorul ceh K. Capek , care l-a preluat din limba cehã unde înseamnã “muncã grea”.

Epopea roboţilor industriali dureazã de numai 30 de ani. Primul robot industrial a fost folosit în anul 1963 la uzinele Trenton ( S.U.A.) ale companiei General Motors. De atunci şi pânã astãzi numãrul şi performanţele roboţilor industriali au crescut în continuu , pe mãsura dezvoltãrii posibilitãţilor lor , gãsindu-şi noi utilizãri , astãzi putând fi folosiţi în toate sferele de activitate , ziua când el va putea efectua orice gen de operaţii întrezãrindu-se deja.

Existã o multitudine de definiţii date roboţilor industriali. Mai nou definiţiile roboţilor industriali au fost standardizate de cãtre principalele ţãri producãtoare . Astfel norma francezã NF E61-100/1983 defineşte robotul industrial astfel :“ Un robot industrial este un mecanism de manipulare automatã , aservit în poziţie , reprogramabil , polivalent , capabil sã poziţioneze şi sã orienteze materialele, piesele , uneltele sau dispozitivele specializate , în timpul unor mişcãri variabile şi programate , destinate executãrii unor sarcini variate.”

Dupã norma germanã VDI 2860 BI.1 “ roboţii industriali sunt automate mobile universale , cu mai multe axe , ale cãror mişcãri sunt liber programate pe traiectorii sau unghiuri , într-o

anumitã succesiune a mişcãrilor şi în anumite cazuri comandate prin senzori. Ele pot fi echipate cu dispozitive de prehensiune, scule sau alte mijloace de fabricaţie şi pot îndeplini activitãţi de manipulare sau tehnologice.”

Dupã norma rusã GOST 25685-83 , “robotul industrial este maşina automatã care reprezintã ansamblul manipulatorului şi al dispozitivului de comandã reprogramabil , pentru realizarea în procesul de producţie a funcţiilor motrice şi de comandã , înlocuind funcţiile analoage ale omului în deplasarea pieselor şi / sau a uneltelor tehnologice.”

Standardul japonez JIS B 0124/1979 defineşte robotul industrial ca :”...un sistem mecanic dotat cu funcţii motoare flexibile analoage celor ale organismelor vii sau combinã asemenea funcţii motoare cu funcţii inteligente , sisteme care acţtioneazã corespunzãtor voinţei omului.” In contextul acestei definiţii, prin funcţie inteligentã se înţelege capacitatea sistemului de a executa cel puţin una din urmãtoarele acţiuni : judecatã , recunoaşterea , adaptarea sau învãţarea.

Dezvoltarea explozivã a roboţilor industriali a condus la apariţia unui numãr enorm de roboţi industriali având cele mai diferite forme şi structuri. A apãrut astfel necesitatea clasificãrii roboţilor industriali dupã anumite criterii. Ei se clasificã astfel :I. Dupã informaţia de intrare şi modul de învãţare al robotului industrial :I.1. Manipulator manual, care este acţionat direct de cãtre om;I.2. Robot secvenţial, care are anumiţi paşi ce “asculta” de o procedurã predeterminatã. La rândul lor aceştia pot fi : - robot secvenţial fix, la care informaţia predeterminatã nu poate fi uşor modificatã; - robot secvenţial variabil, la care informaţia predetrminatã poate fi uşor schimbatã;I.3. Robot repetitor (playback). La început omul învaţã robotul procedura de lucru, acesta memoreazã procedura, apoi o poate repeta de câte ori este nevoie.

I.4. Robot cu control numeric. Robotul industrial executã operaţiile cerute în conformitate cu informaţiile numerice pe care le primeşte.I.5. Robotul inteligent îşi decide comportamentul pe baza informaţiilor primite prin senzorii pe care îi are la dispoziţie şi prin posibilitãţile sale de recunoaştere. II. Clasificarea dupã forma mişcãrii :II.1. Robotul cartezian este cel ce opereazã într-un spaţiu definit de coordonate carteziene;II.2 Robotul cilindric este similar celui cartezian, dar spaţiul de lucru al braţului este definit în coordonate cilindrice;II.3.Robotul sferic ( polar ) are spaţiul de lucru definit în coordonate sferice (polare );II.4. Robotul protetic are un braţ articulat;II.5. Roboţi industriali în alte tipuri de coordonate. III. Clasificarea dupã numãrul gradelor de libertate. IV. Clasificarea dupã spaţiul de lucru şi greutatea sarcinii manipulate. V. Clasificarea dupã metoda de control.V.1. Manipulatoare simple, formate din grupele I.1 si I.2;V.2. Roboţi programabili, formaţi din grupele I.3 si I.4.V.3 Roboţi inteligenţi.VI. Dupã generaţii sau nivele, în funcţie de comanda şi gradul de dezvoltare al inteligenţei artificiale , deosebim : - Roboţi din generaţia I, care acţioneazã pe baza unui program flexibil, dar prestabilit de programator, care nu se mai poate schimba în timpul executiei; - Roboţii din generaţia a-II-a se caracterizeazã prin aceea cã programul flexibil prestabilit poate fi schimbat în limite foarte restrânse în timpul execuţiei; - Roboţii din generaţia a-III-a posedã însuşirea de a-şi adapta singuri programul în funcţie de informaţiile culese prin proprii senzori din mediul ambiant.

In afara acestor criterii de clasificare în funcţie de necesitãţi şi / sau de evolutia ulterioara a robotului industrial se

mai pot defini şi alte criterii, dupã care se clasificã roboţii industriali.

1.2. Structura roboţilor de topologie serialã

Indiferent de obiectiv ( poziţionare sau efectuarea unor operaţii tehnologice ) roboţii industriali ( RI ) trebuie sã pozitioneze şi sã orienteze un obiect în spaţiu. Fixarea şi orientarea unui corp în spaţiu se face cu ajutorul a şase parametrii : trei pentru poziţie şi trei pentru orientare. Aceasta se poate realiza prin rotaţii, translaţii sau rotaţii combinate cu translaţii. Un solid rigid poate fi definit prin intermediul unui punct aparţinând lui numit punct caracteristic ( cel mai frecvent centrul de greutate al solidului rigid ) şi al unei drepte ce conţine punctul caracteristic numitã dreaptã caracteristicã. Un punct material caracteristic şi o dreaptã caracteristicã definesc un solid rigid.

Sistemul mecanic al unui robot industrial de topologie serialã are urmãtoarea structurã:- dispozitiv de ghidare;- dispozitiv de prehensiune .

Dispozitivul de ghidare are rolul de a realiza deplasarea punctului caracteristic şi orientarea dreptei caracteristice. El se compune din :- mecanismul generator de traiectorie ;- mecanismul de orientare .

Mecanismul generator de traiectorie are rolul de a poziţiona în spaţiu punctul caracteristic, deplasându-l din poziţia iniţialã în cea finalã. Cum poziţia unui punct în spaţiu este definitã prin intermediul a trei coordonate, rezultã cã mecanismul generator de traiectorie trebuie sã aibã trei grade de libertate.

Mecanismul de orientare trebuie sã realizeze orientarea în spaţiu a dreptei caracteristice. Cum aceasta trebuie sã realizeze modificarea celor trei unghiuri Euler care definesc poziţia

dreptei caracteristice rezultã cã mecanismul de orientare trebuie sã aibã trei grade de libertate.

Deci dispozitivul de ghidare trebuie sã aibã minimum şase grade de libertate pentru a realiza poziţionarea şi orientarea unui corp ( piesã sau sculã ) în spaţiu. In anumite cazuri particulare el poate sã aibã şi mai puţin de şase grade de libertate ( ca în cazul corpurilor cilindrice , când un grad de libertate nu-şi mai justificã existenţa datoritã simetriei faţã de axa cilindrului, situaţie în care cinci grade de libertate sunt suficiente ) sau mai mult de şase grade de libertate atunci când robotul trebuie sã execute anumite operaţii care necesitã o mare versatilitate ( ca în cazul vopsirii ) . In marea majoritate a cazurilor dispozitivul de ghidare este constituit dintr-un lanţ cinematic deschis dar existã şi situaţii când se combinã un lanţ cinematic închis ( patrulater articulat ) cu unul deschis.

Cele trei grade de libertate ale mecanismului generator de traiectorie pot fi cuple de rotaţie sau de translaţie, în timp ce mecanismul de orientare este în general constituit din trei cuple cinematice de rotaţie. Mecanismul generator de traiectorie poate fi separat de mecanismul de orientare , situaţie în care structura robotului se numeşte “structurã deculatã”.

Mişcarea de poziţionare se poate realiza utilizând trei cuple cinematice de rotaţie ( R ) sau translaţie (T ). Existã 8 combinaţii posibile de rotaţii şi translaţii ( 23=8 ). Acestea sunt : RRR , RRT , RTR , RTT , TRR , TRT , TTR , TTT. Cât despre dispozitivul de ghidare acesta poate exista în 33=27 variante. Combinând cele 8 posibilitãţi cu cele 27 combinaţii rezultã 8x27=216 lanţuri cinematice.Nu toate aceste varinate conduc însã cãtre un spaţiu de lucru tridimensional şi în consecinţã acestea vor fi eliminate , în final ramãnând 37 variante posibile.

Dintre cele 8 structuri posibile de mecanism generator de traiectorie 4 sunt de preferat , conform GOST 25685/83 şi JIS 0134/86 : TTT , RTT , RRT , RRR .

Fiecare dintre cele 37 de structuri de lanţ cinematic poate sta la baza unui robot, determinând o arhitecturã specificã.

Prin gradul de manevrabilitate al dispozitivului de ghidare se înţelege numãrul gradelor de mobilitate ale lanţului cinematic care îi stã la bazã. Prin grad de mobilitate al lanţului cinematic se înţelege numãrul posibiltãţilor de mişcare pe care lanţul cinematic le are în raport cu sistemul de referinţã solidarizat cu unul din elementele sale.

In cele ce urmeazã vom trece în revistã principalele tipuri de roboţi industriali din punct de vedere al structurii mecanismului generator de traiectorie.

1.2.1. Roboţi industriali tip “braţ articulat” ( BA )

Acest tip de RI are ca mecanism generator de traiectorie un lanţ cinematic deschis compus din cuple cinematice de rotaţie.

Fig.1.1. Schema cinematicã a unui robot braţ articulat

Aceştia au o mare supleţe care permite accesul în orice punct al spaţiului de lucru. Dezavantajul sãu principal îl constituie rigiditatea sa redusã Cei mai cunoscuţi roboţi

industriali aparţinând acestei arhitecturi sunt : ESAB (Suedia) , Unimation ( SUA ) 6CH aRm Cincinnati Millacrom ( SUA ).

1.2.2. Roboţi industriali de tip “lanţ închis “( LI )

La acest tip de roboţi mecanismul generator de traiectorie este un lanţ cinematic închis, de tip patrulater articulat. Cuplele cinematice care intrã în componenţã lui sunt cuple de rotaţie. Datoritã construcţiei, ei au un spaţiu de lucru considerabil mãrit faţã de roboţii de tip BA. Având în vedere rigiditatea lor ridicatã ei manipuleazã sarcini mari. Principalul lor dezavantaj constã în construcţia relativ complicatã.

Cei mai reprezentativi roboţi aparţinând acestei arhitecturi sunt : Trallfa ( Norvegia ) , K15 ( Germania ).

1.2.3. Roboţi industriali de tip “pistol” (P )

Acest tip de roboţi industriali este constituit dintr-un corp central ce poartã numele de braţ , asemãnãtor unei ţevi de pistol , care-şi poate modifica direcţia şi lungimea. Construcţia lor este simplã şi ei se remarcã printr-o supleţe şi o dexteritate scãzutã. Spaţiul lor de lucru este relativ mic. Se utilizeazã în special la manipularea unor mase reduse. Din punct de vedere structural sunt roboţi de tip TRT. Dintre roboţii aparţinând acestui tip cei mai reprezentativi sunt MHU Senior ( Suedia ) , Unimate ( SUA ) , Kawasaki ( Japonia ). Schema cinematicã a unui astfel de robot este redatã în figura 1.2.

Fig. 1.2. Schema cinematicã a unui robot tip “Pistol “( P )

1.2.4. Roboţi tip “turelã “ (T )

Roboţii industriali de tip turelã au o arhitecturã asemãnãtoare celor de tip pistol. Caracteristic pentru acest tip de robot este faptul cã între corpul central şi braţ, având construcţia şi mişcãrile similare cu cele ale subansablului similar de la tipul pistol, se interpune un subansamblu de tip turelã, care permite o rotaţie suplimentarã în jurul unei axe care se gãseşte într-un plan orizontal.

Fig.1.3. Schema cinematicã a unui robot turelã

Robusteţea şi supleţea acestui tip de roboţi este superioarã celor de tip pistol. Roboţii de tip turelã sunt utilizaţi în aproape orice tip de aplicaţie având din acest punct de vedere un caracter universal. Din punct de vedere structural sunt roboţi de tip RRT. Cel mai reprezentativ robot aparţinând acestei arhitecturi este robotul Unimate 1000. Schema cinematicã a unui robot turelã este redatã în figura 1.3.

1.2.5. Roboţi de tip “coloanã”( C )

Si acest tip de roboţi , ca şi cei de tip T şi P are un braţ care poate efectua o translaţie , numai cã aceasta este purtat de o coloanã verticalã care se poate roti şi permite în acelaşi timp- şi o translaţie pe verticalã. Roboţii de tip coloanã au o construcţie simplã, sunt robuşti şi au o bunã dexteritate. Sunt mai putin suplii decât cei de tip pistol şi turelã. Din punct de vedere structural schema cinematicã a unui robot coloanã este redatã în figura 1.4.

Fig.1.4. Schema cinematicã a unui robot tip “coloanã”

1.2.6. Roboţi tip “cadru” ( CD )

Acest tip de roboţi au o rigiditate deosebitã, coloana de la tipul precedent fiind înlocuitã cu un cadru. In rest ei au structura roboţilor de tip coloanã.

1.2.7. Roboţi de tip “portal “( PO )

In cazul în care este necesarã manipularea unor piese grele într-un spaţiu de dimensiuni mari se utilizeazã tipul portal. Acest tip se întâlneşte frecvent în industria de automobile. Din punct de vedere structural ei aparţin tipului TTT.

1.2.8. Roboţi de tip “cãrucior”( CA )

In vederea mãririi spaţiului de lucru roboţii se monteazã pe cãrucioare care se pot deplasa liber pe şine.

Acestea sunt cele mai des utilizate arhitecturi de roboţi industriali de topologie serialã. Pe lângã aspectul general arhitectura roboţilor influenţeazã în mod direct performanţele acestora, în principal rigiditatea, forma şi dimensiunile spaţiului de lucru. Astfel roboţii de tip coloanã, pistol au un spaţiu de lucru cilindric, în timp ce cei portal au spaţiul de lucru de formã paralelipipedicã. Roboţii de tip turelã şi braţ articulat au spaţiul de lucru sferic.

1.3. Tipuri de coordonate utilizate în studiul roboţilor industriali

Poziţia unui punct în spaţiu este determinatã prin trei parametri geometrici independenţi între ei, care pot fi coordonatele punctului considerat. Dacã se stabileşte o lege de determinare a acestor parametri pentru orice punct din spaţiu, spunem cã am stabilit un sistem de coordonate.

Punctul caracteristic poate fi poziţionat în interiorul spaţiului de lucru al robotului industrial într-unul din urmãtoarele sisteme de coordonate : - cartezian - cilindric- sferic- curbiliniu

Alegerea unuia sau a altuia dintre sisteme se face şi în concordanţã cu arhitectura robotului. De exemplu un mecanism de generare a traiectoriei de structurã TTT impune coordonatele carteziene iar un mecanism de generare a traiectoriei de structurã TRT impune coordonatele cilindrice.

Ecuaţiile parametrice ale mişcãrii în sistemul cartezian sunt :

X = x(t) ; Y = y(t) ; Z = z(t) .(1.1)Ecuaţiile parametrice ale mişcãrii în sistemul cilindric

sunt : r = r(t) ; = (t) ; z = z(t) . (1.2)

Ecuaţiile parametrice ale mişcãrii în sistemul sferic sunt: r = r(t) ; = (t) ; = (t). (1.3)

Nu vom insista asupra sistemelor de coordonate carteziene, cilindrice şi sferice , care sunt cunoscute dar vom insista asupra sistemului de cordonate curbilinii.

1.3.1. Sisteme de coordonate curbilinii

In sistemul de coordonate curbilinii vectorul de poziţie “r” este definit ca o funcţie vectorialã de trei coordonate scalare q1 , q2 , q3 , independente între ele.r = r(q1 , q2 , q3 ) (1.4)

Componentele scalare carteziene ale acestuia au expresiile :x = x(q1 , q2 , q3 ) ; y = y(q1 , q2 , q3 ) ; z= z(q1 , q2 , q3 ) .

Intrucât fiecãrui vector “r” îi corespunde un anumit punct M şi trei coordonate q1 , q2 , q3 , rezultã cã fiecare din aceste coordonate este funcţie de poziţia punctului caracteristic.q1(r)= q1( x,y,z ) ; q2(r)= q2( x,y,z ) ; q3(r)= q3( x,y,z ) (1.5)

Mãrimile q1 , q2 , q3 se numesc coordonatele curbilinii ale punctului M. Cunoaşterea mişcãrii punctului caracteristic se reduce la cunoaşterea funcţiilor :q1 = q1(t) ; q2 = q2(t) ; q3 = q3(t) ; (1.6)

Dacã toate cele trei coordonate curbilinii sunt funcţii de timp, vârful vectorului “r” , care reprezintã punctul caracteristic mobil , se poate afla în orice punct din spaţiu. Dacã una dintre coordonatele curbilinii este constantã, iar celelalte douã variabile , punctul caracteristic se poate deplasa pe o suprafaţã. Planele tangente la aceste suprafeţe în punctul M se numesc plane de coordonate curbilinii.

Dacã douã din cele trei coordonate curbilinii sunt constante iar cea de a treia este variabilã , punctul caracteristic descrie o curbã. Obţinem astfel trei curbe numite curbe de coordonate curbilinii. Tangentele la curbele de coordonate curbilinii în punctul caracteristic sunt orientate în sensul creşterii coordonatei respective şi se numesc axe de coordonate curbilinii. Dacã cele trei axe sunt perpendiculare douã câte douã sistemul de coordonate se numeşte ortogonal.

Mecanismele de orientare pot avea unul douã sau trei grade de libertate. Existã trei tipuri de mecanisme de orientare :- cu mişcãri independente- cu mişcãri dependente- trompã de elefant

aducţie - abducţie

ultimul element al pronaţie - supinaţiemecanismului generator de traiectorie

flexie

Fig. 1.5. Mişcãrile mecanismului de orientare

1.4. Dispozitive de prehensiune

Aşa cum reiese din definiţia lor roboţii industriali îndeplinesc sarcini tehnologice (sudurã, vopsit , etc. ) sau de transfer ( manipularea pieselor şi a semifabricatelor în procesul de producţie ). Atunci când îndeplinesc sarcini tehnologice endefectorul este o sculã ( pistol de vopsit sau cap de sudurã ). Dacã sarcinile robotului sunt de transfer ( manipulare ) atunci endefectorul sãu trebuie sã fie un dispozitiv de prehensiune. Acesta reuşeşte sã solidarizeze ( fixeze ) obiectul manipulat de robot. Aceastã operaţie de solidarizare, care este analoagã celei prin care mâna umanã apucã se numeşte prehensiune. Dispozitivele de prehensiune executã întotdeauna operaţia finalã şi de aceea rolul lor este foarte important.

Prehensiunea este un proces complex care are mai multe faze :

- poziţionarea- centrarea- fixarea – defixareaSolidarizarea obiectului manipulat presupune imobilizaarea acestuia şi deci anularea gradelor sale de libertate. Numãrul şi dispunerea punctelor de contact dintre dispozitivul de prehensiune şi obiectul manipulat depinde de forma obiectului care impune o anumitã formã a suprafeţelor de contact ale dispozitivului de prehensiune. Prin centrare se realizeazã ocuparea de cãtre obiectul manipulat a unei anumite poziţii şi orientãri faţã de un sistem de referinţã solidarizat cu endefectorul. Dacã dispozitivul de prehensiune obligã dreapta caracteristicã a obiectului manipulat sã ocupe o anumitã poziţie atunci operaţia se numeşte centrare. In cazul în care concomitent cu centrarea se realizeazã şi suprapunerea punctului caracteristic al obiectului manipulat peste un anumnit punct fix din spaţiul de lucru al robotului, atunci operaţia se numeşte centrare completã. Bineînţeles cã operaţia de poziţionare şi de centrare se executã cu o anumitã eroare, care reprezintã eroarea de centrare. In figura de mai jos este redatã operaţia de centrare a unui obiect cilindric cu ajutorul unui dispozitiv de prehensiune prevãzut cu 4 feţe prismatice.

Fig.1.7. Centrarea unui obiect cilindric cu ajutorul unui dispozitiv de prehensiune cu patru feţe

Un dispozitiv de prehensiune are urmãtoarele pãrţi componente :- flanşa de legãturã cu restul robotului ( se recomandã a fi

standardizatã )- dispozitivul de acţionare ( motorul )- mecanismul propriu-zis- degetele- bacurile

Roboţii moderni realizeazã schimbarea automatã a dispozitivului de prehensiune, în funcţie de forma obiectului manipulat. Mecanismele de prehensiune au drept scop transmiterea forţei şi a mişcãrii la “degete”. Prin deget se înţelege acea parte componentã a dispozitivului de prehensiune care poartã şi conduce în poziţia de prehensiune o suprafaţã care în urma contactului cu piesa manipulatã va realiza funcţia de prehensiune. Mecanismele dispozitivelor de prehensiune pentru acţionarea unui deget au la bazã mecanisme cu douã, trei sau patru elemente. Cea mai mare parte a elementelor conducãtoare ale dispozitivelor de prehensiune executã mişcãri de translaţie în raport cu elementul fix şi de aceea pentru acţionarea lor se utilizeazã motoare hidraulice liniare. Atunci când dispozitivele de prehensiune se utilizeazã pentru alimentarea cu piese a maşinilor-unelte ele vor fi înzestrate cu dispozitive de “rapel “ , care dupã dispariţia acţiunii readuc dispozitivul în starea iniţialã sub acţiunea unor arcuri.

In funcţie de tipul şi dimensiunea obiectului manipulat, dispozitivele de prehensiune pot fi :- speciale pentru obiecte de aceaşi formã şi dimensiune ;- speciale pentru obiecte de aceaşi formã şi dimensiuni diferite

;- universale (pentru obiecte cu formã şi dimensiuni variind

într-un domeniu restrâns ) ;- flexibile ( pentru obiecte cu formã şi dimensiuni variind într-

un domeniu larg ) .

Caracterul special, universal sau flexibil al dispozitivelor de prehensiune este dat de construţia bacurilor. Forma constructivã a degetelor trebuie sã ţinã cont şi de condiţiile de lucru. De exemplu dacã obiectul manipulat este fierbinte, degetele trebuie sã fie lungi pentru a atenua efectul cãldurii asupra dispozitivului de prehensiune. Pentru manipularea obiectelor feromagnetice relativ uşoare se utilizeazã dispozitive de prehensiune cu magneţi în timp ce pentru manipularea obiectelor uşoare care prezintã o suprafaţã planã relativ mare se utilizeazã dispozitive de prehensiune cu vid.

1.5. Analiza comparativă a caracteristicilor diferitelor grade de libertate

Deoarece avem posibilitatea de a alege şi / sau de a proiecta diferite structuri de roboţi industriali în constructie modulară, odata ce datele concrete ale aplicaţiei au fost determiante vom proceda la determinarea structurii optime din punct de vedere al aplicaţiei respectice.

Primul pas constă din determinarea mişcãrilor elementelor componente ale traiectoriei impuse endefectorului. Se trece apoi la optimizarea traiectoriei folosind urmãtorul set de reguli simple :

- minimizarea numărului de orientãri ale dispozitivului de prehensiune în scopul reducerii numărului de cuple cinematice necesare şi în general a gradului de complexitate al robotului industrial;

- reducerea la maximum a greutãţii obiectului manipulat;- reducerea volumului spaţiului de lucru;- alegerea structurii cu cel mai scãzut consum energetic

în scopul micşorãrii costurilor;

- simplificarea sistemului de programare; ( de exemplu alegerea sistemului punct cu punct în locul controlului continuu al traiectoriei, acolo unde este posibil ) ;

- minimizarea numărului de senzori;- folosirea la maximum a posibilităţilor existente în

scopul reducerii costului robotului şi a timpului necesar îndeplinirii misiunii;

Este de cea mai mare importanţã să cunoaştem caracteristicile şi performanţele actualilor roboţi industriali ca şi pe cele ale operatorului uman. In acest scop au fost realizate o serie de diagrame “Om - Robot industrial”. Acestea au fost create cu urmãtoarele scopuri :

- să ajute tehnologul să determine dacă un anumit robot industrial poate efectua aplicaţia;

- să servească ca model şi referinţa pentru roboţii industriali;

- pentru a proiecta sisteme combinate, integrate de roboţi industriali şi operatori umani.Redãm mai jos o astfel de diagramă :

Diagrama “Om - Robot” - enumerarea mărimilor comparate.

I. Caracteristici fizice1.Manipularea

A. Corpul.a. Tipurib. Gama maximă a mişcarilor posibile ( GMMP )

B. Braţula. Tipulb. Numărul de braţec. GMMP.

C. Incheieturaa. Tipulb. GMMP

D. Endefectorula. Tipulb. GMMP

2. Dimensiunile corpului.A. Corpul principalB. Aria pardoselii necesare.

3. Forţa şi putereaA. Greutatea încãrcãturii braţuluiB. Puterea necesarã.

4. Armonie.5. Suprasolicitare/solicitare sub posibilităţi. Performanţe.6. Restricţii ambientale.

A. Temperatura ambientalã.B. UmiditateaC.Fluctuaţii.

II. Caracteristici mentale şi comunicative.1. Capacitatea de calcul2. Memoria3. Inteligenţa.4. Puterea de a raţiona.5. Perceperea semnalelor.6. Coordonarea creier-muşchi.7. Necesitaţi sociale şi psihologice.8. Pregătirea9. Sensibilitatea.10. Comunicãri între operatori.11. Viteza de reacţie.12. Autodiagnosticarea.13. Specificitatea individualã.

III. Consideraţii energetice.1. Puterea cerută.2. Accesorii

3. Oboseală.4. Timpul de muncă.5. Durata estimată de viaţă.6. Eficienta energetică.

După cum se observă diagrama conţine trei tipuri principale de caracteristici de lucru :

- caracteristici fizice.- caracteristici mentale şi comunicative.- caracteristici energetice.

Vom studia în cele ce urmează diagrama “ Om - Robot “ pentru caracteristicile fizice.

HARTA “OM-ROBOT”Detalii parţiale ale hãrţii caracteristicilor fizice

Caracteristica Robot industrial Om(1) (2) (3)

1. MANIPULAREA. CORPUL. a) Tipuri 1. Prismatic

2. De revoluţie3.Combinat:prismatic+revoluţi4. Mobil

1. Mobil , permiţând :- înclinare- rotaţie- răsucire

b) GMMP Stînga-Dreapta : 3-15 m la 500-1200 mmş

Răsucire : 180o înclinare : 150o Rotire : 90o

B. BRATUL a) Tipul 1. Rectangular

2. Cilindric3. Sferic4. Articulat

1. Articulat în umăr

b) Numărul Unul sau mai multe Uzual douã , care nu pot opera absolut independent

(1) (2) (3) c) GMMP 300-3000 mm la

100-25000mm/s625-1500 mm/s pentru mişcãri liniare

C. INCHEIETURA a) Tipuri 1. Prismatic

2. Revoluţie3. CombinatDe obicei încheietura are 3 mişcari de rotaţie : răsucire, înclinare, rotire , dar recent au apărut şi mişcãri de translaţie

Constã în trei rotaţii :răsucire , înclinare , rotire.

b) GMMP Răsucire : 35-500 o/sînclinare : 30-320 o/sRotire : 30-300 o/s

Răsucire : 180o înclinare : 180o Rotire : 90o

D. OPERATOR FINAL a) Tipuri 1. Mîna mecanică cu

graifer mecanic sau cu vacuum.2. Scula : pistol de vopsit , de sudat , etc.

1. Patru grade de libertate în configuraţie articulată. Cinci degete pe mână.

b) GMMP Se poate proiecta la dimensiuni variate.

Dimensiuni tipice :Lungime : 163-208 mmLăţime : 68-97 mmAdâncime : 20-33 mm

(1) (2) (3)

2. DIMENSIUNILE CORPULUIA. CORPUL PRINCIPAL

a. înalţime 0,10-2,0 mb. Lungime (braţ) 0,20-2,0 mc. Lăţime 0,10-1,5 md. Greutate 5-8000 Kg

înalţime 1,5-1,9mLungime (braţ) 754-947 mLăţime : 478-579 mGreutate 45-100 Kg

B. ARIA PARDOSELII

De la 0 la câţiva metri pătraţi

Raza de lucru medie de 1 metru patrat

3. FORTA SI PUTEREA.GREUTATEA INCARCATURII BRATULUI

0,1 la 1000 Kg Sub 30 Kg.

B. PUTERE Proporţional cu încãrcãtura utilă

2 CP la 10 secunde.0,5 CP la 120 secunde0,2 CP la 300 secunde

Pentru a determina posibilităţile roboţilor industriali s-a efectuat un studiu pe 282 modele de roboţi, trasându-se douã tipuri de grafice :- grafice cursã/vitezã- grafice indicând frecvenţa distribuţiei roboţilor după anumite criterii.

S-au luat în considerare 282 roboţi industriali dintre care 183 de roboţi industriali japonezi şi 99 de roboţi industriali funcţionând în S.U.A.,o parte dintre aceştia fiind de concepţie europeanã. Din analiza frecvenţei de distribuţiei se pot trage următoarele concluzii :1. Japonezii s-au concentrat mai mult pe tipul cartezian (52%) , în timp ce piaţa americană este dominată de structura articulată

(48 %). Se mai observa ca cea mai mare frecvenţã o au roboţii industriali de gabarit mediu urmaţi de cei mici.2. Sarcina utilă a roboţilor industriali americani este mai mare decât a celor japonezi şi ambele oscilează în jurul a 40 Kg.3. Acţionarea preponderentă a roboţilor industriali americani este hidraulică, în timp ce a celor japonezi este electrică. Tendinţa recentă însã se îndreaptă spre acţionarea electrică.

Vom analiza în cele ce urmează diagramele “viteza-cursă”pentru diferite mişcări ale braţului sau ale dispozitivului de prehensiune. Graficele modelelor americane se vor trasa cu linie continuă, iar cele ale modelelor japoneze cu linie întreruptă. Fiecărui model de robot industrial îi corespunde un punct în interiorul domeniului delimitat de grafice. Fiecare grafic exprimã relaţia cursă-viteza pentru un anume modul funcţional

Fig. 1.8. Rotaţia braţului sus-jos [ grade ]

100 200 300 400 500 600

200

300

400

500

600

0

100

viteza[ grade/secunda]

Fig. 1.9. Răsucirea încheieturii [ grade ]

Fig. 1.10. Inclinarea încheieturii [ grade ]

100

200

300

400

500

0

viteza[grade/secunda]

100 200 300 400 500 600

vitezagrade/sec

0

100

200

300

400

500

600

100 200 300 400 500 600

Fig. 1.11. Translaţia braţului pe orizontală [ grade ]

Fig. 1.12.Translaţia braţului sus-jos [mm ]

0

100 200 300 400 500 600

100

200

300

400

500

600vitezamm/sec

0100 200 300 400 500 600

100

200

300

400

500

600vitezamm/sec

Fig.1.13. Rotaţia braţului stânga-dreapta [ mm ]

Fig. 1.14. Translaţia corpului ( coloanei ) [ mm ]

0

100 200 300 400 500 600

100

200

300

400

500

600

vitezamm/sec

0100 200 300 400 500 600

100

200

300

400

500

600

vitezamm/sec

Fig. 1.15. Rotirea încheieturii [ grade ]

Din studiul diagramelor “cursă-viteza” se pot trage următoarele concluzii utile atât în ceea ce priveşte concepţia dar mai ales exploatarea roboţilor industriali :

1. Diagramele relevã diferenţe considerabile între cele douã categorii de roboţi industriali studiate din punct de vedere al cinematicii. Aceste diferenţe se datorează practic diferenţelor dintre şcoala japonezã şi cea euro-americanã. Aceste diagrame se referă la modele de roboţi. Numai diagramele din figurile 1.10 şi 1.13 acoperã regiuni similare. Este vorba despre translaţia braţului pe orizontala şi translaţia corpului.

2. Pentru mişcãrile încheieturii se constată parametrii superiori atât în ceea ce priveşte cursa cât şi viteza la roboţii euro-americani.

3. Vitezele de rotaţie ale coloanei roboţilor japonezi sunt mai mari.

0 100 200 300 400 500 600

100

200

300

400

500

600vitezamm/sec

4. Diagramele permit studierea parametrilor cinematici pentru diferite mişcãri ale roboţilor, fiind de un real folos pentru studiul modularizării. Putem astfel să determinăm cursele optime, sau cu frecvenţa cea mai cerută de către utilizatori în vederea modularizării. In ceea ce privesc vitezele, ele trebuie să fie cât mai mari pentru a conduce la creşterea productivităţii. Este de presupus, şi informaţiile de dată recentă o dovedesc, că media maximului vitezelor a crescut între momentul întocmirii studiu statistic şi momentul prezent. De exemplu vitezele modulelor de translaţie au crescut de la 1 m/s la 4 m/s.

5. Uneori din analiza diagramelor “Om-Robot “ putem trage concluzia dacă pentru o anumită operaţie este mai potrivit omul sau robotul. De asemeni cei ce gândesc procesele de producţie trebuie încã din faza de concepţie să le structureze astfel încât eficienţa robotului să fie maximă. Este vorba deci despre o adaptare nu numai a robotului la necesităţile producţiei ci şi a producţiei la posibilităţile robotului în vederea creşterii eficienţei globale a activitãţii. Aceasta pentru că astăzi nimeni nu mai poate exclude robotul industrial din structura unui proces industrial iar mutaţiile rapide care au loc fac posibil accesul roboţilor chiar şi acolo unde astăzi acest lucru nu este previzibil datorită progresului tehnologic şi a mutaţiilor de ordin social.

Tabelul 1.1 ne oferã informaţii preţioase privind cinematica unui mare număr de modele de roboţi, cu un mare impact asupra studiului modularizării.

TABELUL NR. 1.1.CARACTERISTICILE “ CURSĂ / VITEZĂ” ALE

MODULELOR ROBOŢILOR INDUSTRIALI

Modulul Piaţa americana

Piaţa japoneza

Total

( 1 ) ( 2 ) ( 3) ( 4 )Translaţia braţului pe orizontală N 32 49 81 X 1196,94 977,04 1063,91 Y 942,22 741,43 820,75 DMC 300 - 3000 DVM 100 - 4500Translaţia corpului N 8 85 93 X 2877,88 1320,00 1454,01 Y 635,75 466,71 481,25 DMC 1000 - 6000 DVM 100 - 1500Translaţia braţului pe verticala N 33 118 151 X 1336,39 853,05 958,68 Y 1036,85 489,36 609,01 DMC 50 - 4800 DVM 50 - 5000Rotaţia braţuluistânga -

dreapta N 28 44 72 X 275,25 196,91 227,38 Y 90,32 89,23 89,65 DCM 50 - 280 DVM 50 - 240

(1) (2) (3) (4)Rotaţia braţuluisus - jos N 7 11 18 X 176,57 95,45 127,00 Y 93,57 63,64 75,28 DMC 25 - 3330 DVC 10 - 170Răsucirea încheieturii N 33 79 112 X 312,58 250,13 268,53 Y 158,18 99,05 116,47 DMC 100 - 575 DVM 35 - 600Inclinarea încheieturii N 29 37 66 X 183,97 174,86 178,86 Y 144,93 97,84 118,53 DCM 40 - 360 DVM 30 - 320Rotirea încheieturii N 18 30 48 X 281,94 203,07 323,65

Y 140,17 92,90 110,63 DCM 100 - 530 DVM 30 - 300

unde , N = numărul observaţiilorX = cursa medie maximă în “mm” sau “grade”Y = viteza liniară sau unghiulară medie maximă

DCM = domeniul curselor maxime DVM = domeniul vitezelor maxime