UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ ŞI TEHNOLOGIA INFORMAŢIEI

Ing. Tripe Vidican Călin Aron

Contribuţii privind optimizarea constructivă şi funcţională a modulelor cu acţionare electrică

din structura roboţilor industriali

Rezumatul tezei de doctorat

COORDONATOR ŞTIINŢIFIC

Prof. Univ. Dr. Ing. Maghiar Teodor

ORADEA

2009

CUPRINS CAPITOLUL. 1. 7 INTRODUCERE 7 CAPITOLUL 2 13 CERCETĂRI ŞI REALIZĂRI ÎN DOMENIUL ROBOŢILOR INDUSTRIALI ŞI MICROROBOŢILOR 13 2.1 Introducere........................................................................................................................................ 13 2.2 Istoricul roboţilor industriali.............................................................................................................. 15 2.3. Definiţii ale roboţilor....................................................................................................................... 18 2.4. Avantajele utilizării roboţilor industriali......................................................................................... 22 2.5. Domenii de aplicaţie ale roboţilor................................................................................................... 22 2.5.1. Aplicaţii industriale ale roboţilor................................................................................................... 23 2.5.2. Aplicaţii neindustriale ale roboţilor............................................................................................... 32 2.6 Microroboţi....................................................................................................................................... 35 2.6.1. Aplicaţiile microroboticii............................................................................................................. 37 2.6.2. Clasificarea microroboţilor........................................................................................................... 39 CAPITOLUL 3.................................................................................................................................... 45 STRUCTURA GENERALĂ A ROBOŢILOR ŞI MICROROBOŢILOR..................................... 45 3.1. Introducere...................................................................................................................................... 45 3.2. Sistemul mecano-cinematic al robotului.......................................................................................... 47 3.3.Module cu acţionare electrică din componenţa roboţilor industriali................................................. 50 3.3.1.Tipuri de module de translaţie pentru roboţi industriali cu acţionare electrică............................. 50 3.4 Sistemul de acţionare al robotului.................................................................................................... 57 3.5. Sisteme de acţionare electrică a roboţilor industriali....................................................................... 60 3.5.1. Acţionarea electrică cu motoare de curent continuu (c.c.)............................................................ 61 3.5.2. Acţionarea cu motoare electrice de curent alternativ (c.a.)........................................................... 63 3.5.3.Acţionarea cu motoare electrice pas cu pas (M.P.P.)..................................................................... 65 3.6. Sisteme de acţionare pneumatică a roboţilor industriali.................................................................. 68 3.7. Sistemul de acţionare hidraulică a roboţilor industriali.................................................................. 69 3.7.1. Sisteme de acţionare electro-hidraulice......................................................................................... 71 3.8 Sistemul de comandă al roboţilor...................................................................................................... 76 3.8.1.Generalităti..................................................................................................................................... 76 3.8.2.Construcţia sistemului de comandă................................................................................................ 77 3.8.3 Subsistemul informaţional.............................................................................................................. 86 3.8.4. Senzori şi traductoare.................................................................................................................... 87 3.9 Elemente de comandă a roboţilor utilizând logica fuzzy şi reţele neuronale artificiale................ Error! Bo 3.9.1. Consideraţii generale..................................................................................................................... 91 3.9.2. Strategii de conducere a roboţilor................................................................................................. 92 3.9.3. Noţiuni privind logica fuzzy.......................................................................................................... 99 3.9.4. Noţiuni privind reţelele neuronale artificiale................................................................................ 102 3.9.5 Structuri de conducere neuronale................................................................................................... 106 CAPITOLUL 4...................................................................................................................................... 113 SISTEME MODERNE DE ACŢIONARE A ROBOŢILOR............................................................ 113 4.1. Introducere........................................................................................................................................ 113 4.2 Sisteme de acţionare cu motoare de curent continuu........................................................................ 115 4.2.1 Principiul de funcţionare şi variantele constructive....................................................................... 115 4.2.2 Controlul vitezei servomotoarelor de c.c........................................................................................ 122 4.2.3 Profiluri de viteză şi rapoarte de transmitere optime, în cazul acţionărilor cu motoare de c.c....................................................................................................................................................... 123 4.3. Sisteme de acţionare cu motoare de curent continuu cu magneţi permanenţi în stator.................... 125 4.3.1.Convertoare electronice de putere.................................................................................................. 127

4.3.2. Controlerul inteligent şi interfaţa cu sistemul............................................................................... 129 4.4. Sisteme de acţionare cu motoare electrice de curent alternativ........................................................ 133 4.4.1.Motor asincron comandat în frecvenţă........................................................................................... 133 4.4.2.Motor asincron cu rotor bobinat, comandat în rotor....................................................................... 134 4.5 Sisteme de acţionare cu motoarele pas cu pas (MPP)....................................................................... 135 4.5.1 Prezentarea motoarelor pas cu pas................................................................................................. 135 4.5.2 Construcţia şi funcţionarea motoarelor pas cu pas......................................................................... 136 4.5.3 Mărimi caracteristice ale motoarelor pas cu pas............................................................................ 141 4.5.4 Metode de comandă a motoarelor pas cu pas................................................................................. 142 4.6. Sisteme de acţionare a microroboţilor.............................................................................................. 144 4.6.1. Principii de acţionare ale microroboţilor....................................................................................... 144 4.6.2. Microactuatorul cibernetic liniar silenţios..................................................................................... 145 4.6.3. Dispozitivul piezoelectric pentru micropoziţionare...................................................................... 146 4.6.4. Principiul de mişcare bazat pe peri................................................................................................ 147 4.7. Actuatori şi microactuatori............................................................................................................... 149 4.7.1. Noţiuni generale............................................................................................................................ 149 4.7.2. Clasificarea actuatorilor................................................................................................................. 151 4.7.3. Exemple de actuatori şi microactuatori realizaţi........................................................................... 151 4.8. Concluzii:......................................................................................................................................... 156 CAPITOLUL 5...................................................................................................................................... 157 CONTRIBUŢII PRIVIND DINAMICA ROBOŢILOR ŞI MICROROBOŢILOR....................... 157 5.1. Introducere....................................................................................................................................... 157 5.2. Modelarea dispozitivului de ghidare al robotului............................................................................. 161 5.2.1. Formalisme utilizate..................................................................................................................... 161 5.2.2. Formalismul Lagrange.................................................................................................................. 161 5.2.3. Formalismul Newton-Euler........................................................................................................... 165 5.3. Modelarea sistemelor de acţionare a roboţilor industriali................................................................ 168 5.3.1. Introducere.................................................................................................................................... 168 5.3.2. Transmisii mecanice. Generalităţi................................................................................................. 169 5.3.3. Modelarea şi alegerea transmisiei mecanice................................................................................. 170 5.3.4. Modelarea acţionării electrice a unei axe de robot........................................................................ 177 5.4 Modelul dinamic complet al robotului.............................................................................................. 185 5.5 Concluzii........................................................................................................................................... 187 CAPITOLUL 6...................................................................................................................................... 188 CONTRIBUŢII PRIVIND CONDUCEREA ADAPTIVĂ A ROBOŢILOR.................................. 188 6.1.Sisteme adaptive................................................................................................................................ 188 6.1.1.Generalităţi..................................................................................................................................... 188 6.2.Conducerea adaptivă......................................................................................................................... 193 6.2.1.Generalităţi..................................................................................................................................... 193 6.3.Conducerea adaptivă în cadrul conducerii manuale a roboţilor........................................................ 194 6.4.Conducerea adaptivă în cadrul conducerii automate a roboţilor....................................................... 195 6.4.1.Modele matematice........................................................................................................................ 195 6.4.2. Statuarea problemei de conducere dinamică................................................................................. 206 6.5 Concluzii........................................................................................................................................... 221 CAPITOLUL 7...................................................................................................................................... 222 CONTRIBUŢII PRIVIND ELABORAREA UNEI METODE RAPIDE DE ALEGERE OPTIMALĂ A MOTOARELOR DIN COMPONENŢA SISTEMELOR DE ACŢIONARE ALE ROBOŢILOR.............................................................................................................................. 222 7.1. Introducere....................................................................................................................................... 222 7.2. Date iniţiale...................................................................................................................................... 225 7.3. Calculul cinetostatic - prima iteraţie................................................................................................ 226

7.4. Predimensionarea structurii de rezistenţă a elementelor dispozitivului de ghidare - prima iteraţie 226 7.5. Calculul puterilor motoarelor de acţionare - prima iteraţie.............................................................. 227 7.5.1. Calculul puterii motorului de acţionare a cuplei cinematice conducătoare a dispozitivului de ghidare cea mai apropiată de efectorul final............................................................................................ 227 7.5.2.Calculul puterii motorului de acţionare a cuplei cinematice conducătoare “n-1” a dispozitivului de ghidare................................................................................................................................................ 232 7.5.3.Calculul puterii motorului de acţionare a cuplei cinematice conducătoare “i” a dispozitivului de ghidare................................................................................................................................................ 249 7.6. Calculul variaţiei forţelor generalizate reduse în timpul unui ciclu de manipulare......................... 262 7.6.1.Calculul puterilor necesare ale motoarelor de acţionare în timpul unui ciclu de manipulare........ 262 7.7.Corelaţia între puterea motorului de acţionare, pe de o parte şi masa, centrul de masă, momentele de inerţie masice ale motoarelor de acţionare......................................................................................... 262 7.8. Alegerea motoarelor de acţionare, şi a elementelor de acţionare, reductoarelor, etc.(prima iteraţie) .................................................................................................................................................... 262 7.9. Calculul cinetostatic; (iteraţia a doua).............................................................................................. 263 7.10. Dimensionarea structurii de rezistenţă a elementelor structurii mecanice; a doua iteraţie...... 263 7.11. Verificarea puterii motoarelor de acţionare a mişcării relative a elementelor cuplelor cinematice conducătoare; a doua iteraţie................................................................................................. 264 CAPITOLUL 8...................................................................................................................................... 265 CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND CONDUCEREA ADAPTIVĂ A UNUI MODUL DE TRANSLAŢIE CU ACŢIONARE ELECTRICĂ...................................................... 265 8.1. Introducere....................................................................................................................................... 265 8.2. Standul experimental....................................................................................................................... 265 8.3. Descrierea modulului de translaţie conceput şi realizat................................................................... 267 8.4. Sistemul forţelor perturbatoare conceput şi realizat........................................................................ 268 8.5. Sistemul de conducere adaptivă conceput şi realizat....................................................................... 269 8.5.1. Structura sistemului de acţionare al modulului conceput şi realizat............................................. 273 8.4.2.Sistemul de comandă a instalaţiei experimentale........................................................................... 285 8.6. Optimizarea sistemului prin utilizarea unui regulator fuzzy pentru comanda în forţă/poziţie (impedanţă) a axei de translaţie cu acţionare electrică............................................................................ 285 8.6.1. Consideraţii generale..................................................................................................................... 287 8.6.2. Modelarea axei de translaţie cu regulator Fuzzy........................................................................... 293 8.7. Concluzii privind funcţionarea sistemului cu reglare fuzzy în poziţie/ forţă................................... 293 CAPITOLUL 9...................................................................................................................................... 294 CONCLUZII FINALE ŞI CONTRIBUŢII ORIGINALE................................................................ 294 9.1. Contribuţii originale………………………………………………………………………………. 294 9.1.1. Introducere………………………………………………………………………………………. 294 9.2. Contribuţii în domeniul sistematizării informaţiilor bibliografice……………………………….. 295 9.3. Contribuţii în domeniul elaborării unor noi metode de proiectare a sistemelor de acţionare a roboţilor………………………………………………………………………………………………... 295 9.4. Contribuţii în domeniul aplicaţiilor practice……………………………………………………… 296 9.5. Contribuţii în domeniul cercetării experimentale………………………………………………… 296 9.6. Direcţii de cercetare viitoare……………………………………………………………………… 297 9.7. Concluzii finale…………………………………………………………………………………… 297 ANEXA 1.............................................................................................................................................. 299 ANEXA 2............................................................................................................................................... 303 ANEXA 3................................................................................................................................................ 310 ANEXA 4................................................................................................................................................ 313 ANEXA 5............................................................................................................................................... 320 BIBLIOGRAFIE.................................................................................................................................. 326

CAPITOLUL. 1. INTRODUCERE

Fenomenul „robot“, domeniul de ştiinţă „Robotică“ au apărut în cea de-a doua jumătate a secolului XX. Apariţia lor se încadrează în linia de evoluţie a vieţii şi în acest cadru a omenirii. Unul dintre „motoarele“ evoliţiei vieţii pe pământ este ceea ce se poate denumii generic „creşterea productivităţii“ în interacţiunea om – mediu.

În cadrul acestei interacţiuni, roboţii industriali se încadrează în procesul automatizărilor industriale. O problemă importantă în evoluţia roboţilor şi robotizării industriilor o constituie preţul de cost al acestora. În primele faze sistemele de acţionare au fost hidraulice şi pneumatice şi mai puţin electrice, datorită costurilor ridicate ale componentelor electrice şi electronice.

În prezent ponderea acţionărilor roboţilor este electrică. Se dezvoltă noi limbaje de programare dedicate roboţilor, limbaje din ce în ce mai prietenoase faţă de utilizatori.

Teza de doctorat abordează elaborarea unei metodologii de proiectare a sistemului de acţionare a roboţilor folosind calculul dinamic aproximativ (fără luarea în considerare a efectului de cuplare a axelor) în vederea alegerii motoarelor electrice de acţionare a cuplelor cinematice conductoare şi dimensionarea structurii mecanice a elementelor lanţului cinematic al roboţilor industriali pe baza optimizării constructive şi funcţionale.

Un alt obiectiv al tezei a fost elaborarea unei metode de conducere adaptive a unui robot, precum şi realizarea unui modul de translaţie cu acţionare electrică, modelarea şi simularea funcţionării acestuia, în vederea validării corectitudinii metodei propuse privind alegerea puterii motoarelor electrice de acţionare, precum şi a modelului matematic stabilit pentru funcţionarea axei de translaţie cu acţionare electrică.

CAPITOLUL 2 CERCETĂRI ŞI REALIZĂRI ÎN DOMENIUL ROBOŢILOR

INDUSTRIALI ŞI MICROROBOŢILOR 2.1 Introducere Interacţiunea om-unelte-mediu, conducerea şi controlul uneltelor şi a

surselor de energie artificiale se realizează cu ajutorul dispozitivelor automate. Apariţia roboţilor în epoca actuală poate fi justificată şi prin necesitatea

adecvării omului la mediu. Adecvarea la mediu a omului intră în categoria procesului de creştere a productivităţi interacţiunii, prin diminuarea efortului necesar şi prin creşterea cantităţii şi calităţii a celor obţinute de la mediu.

2.2 Istoricul roboţilor industriali Se prezintă succint câteva din cele mai importante etape ale istoriei destul

de scurte dar spectaculoase ale evoluţiei roboticii de la primele încercări şi până în prezent.

2.3. Definiţii ale roboţilor În literatura de specialitate se întâlnesc diferite definiţii date roboţilor,

începând cu cele formulate de pionierii ştiinţei roboticii, pânã la cele enunţate de diverse foruri internaţionale sau naţionale autorizate în domeniu.

Se prezintă câteva din aceste definiţii: Robot Institute of America (R.I.A.) dă o definiţie mai puţin restrictivă,

deoarece înlocuieşte noţiunea de adaptare automată cu cea de reprogramare. - “Robotul este un manipulator reprogramabil multifuncţional destinat să

deplaseze materiale, piese, scule sau aparate prin mişcări programate variabil în scopul îndeplinirii a diferite sarcini.”

British Robot Asociation (B.R.A.), defineşte robotul ca un dispozitiv reprogramabil realizat pentru manipularea şi transportul pieselor, sculelor sau a altor mijloace de producţie, prin mişcări variabile programate pentru a îndeplini sarcini specifice de fabricaţie.

2.4. Avantajele utilizării roboţilor industriali. Avantajele utilizării roboţilor industriali rezultă odată cu implementarea lor

în diferite domenii cu scopuri economice sau sociale. Din această cauză avantajele utilizării roboţilor se pot categorisi în: avantaje economice; avantaje sociale generale; avantaje sociale suplimentare; conform schemei din figura 2.2.

2.5. Domenii de aplicaţie ale roboţilor. În prezent roboţii se utilizează în toate domeniile activităţii umane. Aceste

activităţi urmăresc satisfacerea unor necesităţi individuale de grup sau sociale. Aplicaţiile roboţilor pot fi în domeniile industriale şi neindustriale.

CAPITOLUL 3

STRUCTURA GENERALĂ A ROBOŢILOR ŞI MICROROBOŢILOR 3.1. Introducere Robotul este un sistem constituit dintr-o serie de subsisteme cu diverse

funcţii. Se înţelege prin sistem un ansamblu de elemente componente şi legăturile dintre acestea. Părţile componente ale sistemului se numesc subsisteme.

3.4 Sistemul de acţionare al robotului Prin acţionare se înţelege un ansamblu de funcţii tehnice prin care se

realizează transformarea energiei nemecanice într-una mecanică, în vederea punerii în mişcare relativă a unor elemente. Sursele de energie nemecanică necesare unuii sistem de acţionare pot fi: electrică; termică, hidraulică, diverse.

În construcţia roboţilor şi microroboţilor se întâlnesc următoarele tipuri de acţionări:

- acţionare electrică; - acţionare hidraulică; - acţionare pneumatică; - acţionare mixtă (electro-hidraulică; electro-pneumatică; pneumo-

hidraulică). În figura 3.12 se prezintă evoluţia în timp a tipurilor de acţionări utilizate

pentru roboţii industriali.

Figura 3.12. Evoluţia în timp a tipurilor de acţionare a R.I. Pentru a face o paralelă între tipurile de acţionări ale roboţilor industriali şi

a scoate în evidenţă avantajele şi dezavantajele unui tip sau altul de acţionare, precum şi confluenţa dintre ele, se prezintă în continuare aceste tipuri de acţionări.

0

20

40

60

80

100

1985 1990 1996 2006

412

7992

53 53

166

42.5

25

4 20.5 10

1 0

ElectricHidraulicPneumaticMixt

CAPITOLUL 4. SISTEME MODERNE DE ACŢIONARE A ROBOŢILOR

4.2 Sisteme de acţionare cu motoare de curent continuu 4.2.1 Principiul de funcţionare şi variantele constructive Servomotoarele de curent continuu sunt utilizate în foarte multe aplicaţii

din domeniul mecanicii fine şi mecatronicii (roboţi industriali şi de servicii, vehicole cu ghidare automată, periferice de calculator, automate de control şi servire, automate bancare etc.), datorită unor caracteristici remarcabile:

4.2.2. Controlerul inteligent şi interfaţa cu sistemul În unele situaţii comanda sistemelor de acţionare electrică poate fi realizată

cu un singur controler, deci o comandă unică sau cu mai multe controlere, deci o comandă distribuită şi ierarhizată. Prima variantă este specifică sistemelor cu grad mai redus de complexitate şi suficient de lente şi aceasta aproape independent de structura controlerului şi viteza de calcul, pentru că toate mărimile preluate din sistem trebuie prelucrate în serie. Cea de-a doua variantă este specifică sistemelor complexe şi rapide. Prin distribuirea funcţiilor de comandă se realizează de fapt o prelucrare paralelă. Informaţia care circulă între diferitele nivele ierarhice fiind redusă la minimum necesar şi timpul global de calcul este mult redus.

4.3. Sisteme de acţionare cu motoare electrice de curent alternativ 4.3.1.Motor asincron comandat în frecvenţă În cazul motoarelor asincrone cea mai eficientă metodă de comandă este

comanda în frecvenţa tensiunii, respectiv curentului statoricconform celor prezentate în capitolul 3. Modificarea frecvenţei f1 a tensiunii de alimentare, asigură o gamă largă, o reglare fină, continuă, în ambele sensuri (sub şi peste viteza nominală), fără pierderi de energie. Realizarea practică a schimbării frecvenţei implică prezenţa unui convertor de frecvenţă. Cele mai utilizate convertoare de frecvenţă sunt cele cu circuit intermediar de curent continuu.

Conducerea modernă a sistemului de acţionare electrică al unui robot, presupune, deci, unificarea cunoştinţelor unor domenii considerate relativ independente, ca: mecanică şi organe de maşini, tehnica reglării automate, măsurări electrice şi calculatoare.

4.4 Sisteme de acţionare cu motoarele pas cu pas (MPP) Motorul pas cu pas (MPP) este un convertor electromecanic care realizează

transformarea unui tren de impulsuri digitale într-o mişcare proporţională a axului său. Mişcarea rotorului MPP constă din deplasări unghiulare discrete, succesive, de mărimi egale şi care reprezintă paşii motorului. În cazul unei funcţionări corecte, numărul paşilor efectuaţi trebuie să corespundă cu numărul impulsurilor de comandă aplicate fazelor motorului. Deplasarea unghiulară totală, constituită dintr-un număr de paşi egal cu numărul de impulsuri de comandă aplicat pe fazele motorului, determină poziţia finală a rotorului. Această poziţie se păstrează, adică este memorată, până la aplicarea unui nou impuls de comandă.

CAPITOLUL 5 CONTRIBUŢII PRIVIND DINAMICA ROBOŢILOR ŞI

MICROROBOŢILOR 5.1. Introducere Dinamica roboţilor şi microroboţilor tratează modul în care robotul sau

microrobotul se mişcă sub acţiunea unor forţe generalizate care fie sunt dezvoltate de motoarele de acţionare, fie sunt forţe exterioare sistemului robot.

În cadrul analizei dinamice a roboţilor şi microroboţilor se necesită a fi tratate două probleme:

analiza dinamica directă prin care se determină răspunsul în timp a situării elementelor, exprimată prin valorile coordonatelor generalizate ale unor puncte, la aplicarea unor forţe generalizate, obţinute prin integrarea ecuaţiilor dinamice ale mişcării robotului;

analiza dinamica inversă prin care ecuaţiile dinamice ale robotului sunt rezolvate pentru determinarea acelor forţe generalizate care să ofere mişcarea dorită robotului.

5.2. Modelarea dispozitivului de ghidare al robotului 5.3. Modelarea sistemelor de acţionare a roboţilor industriali 5.3.1. Introducere Funcţia sistemului de acţionare este aceea de a pune în mişcare relativă la

momentul oportun elementele cuplelor cinematice conducătoare ale sistemului mecanic al roboţilor industriali.

Sistemul de acţionare se compune din două subsisteme: motorul de acţionare şi transmisia mecanică (conform celor prezentate în capitolele anterioare).

În general, efectele dinamice datorate electronicii de putere, motoarelor de acţionare şi transmisiilor mecanice sunt mai puţin tratate în literatura de specialitate, deşi efectele generate de cele trei componente ale robotului nu sunt de o mai mică importanţă ca şi efectele structurii mecanice a robotului

5.3.4. Modelarea acţionării electrice a unei axe de robot 5.3.4.1. Modelarea acţionării electrice cu motor de curent continuu În figura 5.6. se prezintă cupla cinematică conducătoare “i” a unui robot

industrial acţionată de un motor de curent continuu.

Figura 5.6. Cupla cinematică conducătoare “i” a unui robot industrialacţionată de un motor de curent continuu.

Figura 5.8. Schema bloc a unei acţionări cu motor electric de curent continuu Din relaţia de mai sus se poate deduce modelul matematic pentru acţionarea

cuplei “i” funcţie de poziţia unghiulară θ a cuplei, ştiind că ( ) ( )ss

s mω⋅µ

=θ , acesta

prezentându-se:

( ) ( ) ( ) ( )sMLJ

RsLLJ

uNKsTTTT

sTT

ss eefef

i

BefemgemcemgBefemg

⋅+

−⋅⋅

=⋅

⋅+

⋅+⋅

++⋅

22 1111 µµθ

(5.56) 5.5 Concluzii Acest capitol pregăteşte baza teoretică privind conducerea adaptivă a

sistemelor. S-a realizat scrierea sub formă generealizată a modelului dinamic al

dispozitivului de ghidare al robotului. S-a realizat scrierea sub formă generalizată a modelului dinamic al

acţionării robotului. Din paralele formalismelor de analiză dinamică rezultă avantajul

formalismuluui Newton-Euler, care este deosebit de eficient în reducerea timpului de calcul şi în special formalismul recursiv (RNE) simplificat. Acest lucru îl recomandă în analiza dinamică a roboţilor, în vederea conducerii acestora în timp real.

CAPITOLUL 6. CONTRIBUŢII PRIVIND CONDUCEREA ADAPTIVĂ A ROBOŢILOR

6.1.Sisteme adaptive Definiţie. Se spune despre un sistem că este adaptiv dacă este capabil să

atingă obiectivele conducerii în situaţia în care informaţia de construcţie, iniţial disponibilă, nu este completă.

Termenul de adaptiv îşi găseşte astfel justificarea prin aceea ca sistemul de conducere nu mai este destinat unui anumit proces, ci unei clase de procese, sistemul reuşind să se adapteze în timp real – pe baza informaţiei de funcţionare - la situaţia concretă dată.

Din numeroasele tehnici propuse pentru conducerea adaptivă, soluţia cu model etalon şi cea cu regulatoare autoacordabile au reuşit să se impună, cunoscând cele mai multe aplicaţii în practică.

Schema de principiu a unui sistem adaptiv cu model etalon este prezentată în figura 6.1.

Model Etalon

Regulator adaptiv Proces

Mecanism de adaptare

r(t)

u(t) y(t)

w(t) e(t)

y (t)r

φ(t) φ(t)

Figura 6.1. Schema sistemului adaptiv cu model etalon

6.2.Conducerea adaptivă. 6.3.Conducerea adaptivă în cadrul conducerii manuale a roboţilor 6.4.Conducerea adaptivă în cadrul conducerii automate a roboţilor 6.4.1.Modele matematice 6.4.1.1.Modelarea dinamică a roboţilor cu “n” grade de libertate Pentru modelarea sistemului robotului industrial se porneşte de la ecuaţiile

dinamice Newton - Euler. Principalele prezumţii care vor fi acceptate pentru modelul fizic al robotului

pot fi reduse la următoarele trei: - legăturile sunt modelate prin corpuri rigide şi efectele elasticităţii sunt

neglijate; - lanţul cinematic al robotului nu este nici ramificat, nici închis; - gradele de libertate ale robotului nu sunt cuplate cinematic.

Se face observaţia că în ceea ce urmează doar formulele pentru construcţia modelului dinamic se vor demonstra, datorită vastităţii calculelor.

Construcţia modelului Procedura dezvoltată se constituie din următoarele etape: - determinarea situării elementelor braţului robotului în raport cu sistemul

de coordonate de referinţă; - etapa cinematică; - etapa dinamică. În ceea ce urmează se prezintă modelul de simulare realizat cu ajutorul

limbajului SIMULINK – figura 6.9. – pentru cazul în care perturbaţia τl care apare este sub formă de treaptă unitară.

Figura 6.9. Model de simulare cu perturbaţie unitară

Figura 6.10 Model de simulare cu perturbaţie aleatoare Răspunsul indicial al sistemului considerat pentru diferite valori ale

factorului K0 este prezentat în anexa. Tot în anexa se prezintă răspunsul sistemului de urmărire la perturbaţie unitară, pentru diferite valori ale factorului K0.

CAPITOLUL 7 CONTRIBUŢII PRIVIND ELABORAREA UNEI METODE RAPIDE DE

ALEGERE OPTIMALĂ A MOTOARELOR DIN COMPONENŢA SISTEMELOR DE ACŢIONARE ALE ROBOŢILOR

7.1. Introducere Atunci când se urmăreşte proiectarea unui robot – care să manipuleze un

anumit obiect de lucru, sculă sau un cap de forţă pe o traiectorie bine determinată astfel încât prin/pe anumite puncte/traiectorii – rezultate din sarcina de fabricaţie aferentă robotului – să realizeze unele viteze şi acceleraţii impuse de procesul de prelucrare/manipulare – apare următoarea dilemă pentru proiectant: motoarele sistemului de acţionare trebuie să învingă nu numai forţele generalizate exterioare tehnologice şi gravitaţionale care acţionează asupra obiectului de manipulat – care sunt cunoscute – ci şi forţele generalizate masice (inerţiale, gravitaţionale) datorate motoarelor, transmisiilor mecanice, structurii de rezistenţă, forţe/momente care nu se cunosc la începutul proiectării.

Metoda propusă de către autor urmăreşte ridicarea acestei nedeterminări.

Figura 7.1. Ordinograma de alegere a elementelor de acţionare ale unui

robot.

CAPITOLUL 8 CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND CONDUCEREA ADAPTIVĂ

A UNUI MODUL DE TRANSLAŢIE CU ACŢIONARE ELECTRICĂ 8.1. Introducere În acest capitol se analizează comportarea dinamică a unui sistem de

acţionare electrică cu motor de curent continuu a unui modul de translaţie (T) din structura unui robot industrial, ca model de laborator, comandat prin calculator.

Am umărit aspectele următoare: a. Conceperea constructivă a unui modul de translaţie cu acţionare

electrică; b. Conceperea constructivă a unui sistem perturbator; c. Conceperea sistemului de conducere adaptivă a modulului de

translaţie cu acţionare electrică; d. Modelarea funcţională a sistemului conceput; e. Analiza prin simulare pe calculator, utilizând mediul Simulink şi

regulatoare fuzzy a funcţionării motorului de curent continuu (m.c.c.) în regim adaptiv şi în condiţiile alimentării print-un circuit în punte „H” comandat cu un semnal de tip PWM.

f. Realizarea fizică a modulului de translaţie a echipamentelor de comandă şi interfaţă cu calculatorul.

g. Realizarea unui sistem cu regulator fuzzy pentru comanda în timp real a sistemului în forţă.

h. Optimizarea funcţională a sistemului conceput. Măsuratorile şi rezultatele obţinute s-au realizat pe baza modelului

funcţional conceput şi a standului realizat, comandat cu calculatorul numeric tip pentium 4

Valorile măsurătorilor au fost achiziţionate prin intermediul unei plăci de achiziţie de date National Instruments P.C.I. 1200, prezentată în Anexa 3, şi s-au prelucrat grafic cu softul MATLAB-SIMULINK.

8.2. Standul experimental Standul experimental conceput în vederea realizării conducerii adaptive,

utilizând diferite tipuri de regulatoare este prezentat în figura 8.1. Legătura dintre diferitele componente ale sistemului, supravegherea

acestora şi conducerea procesului se face prin calculator prin intermediul programului conceput de autor şi prezentat în cadrul acestui capitol.

Figura 8.1 a. Model al modulului de translaţie, comandat cu calculatorul

Figura 8.1 b. Structura standului experimental

În figura 8.2 se prezintă schema bloc a sistemului

Figura 8.2 Schema bloc a sistemului de comandă. Schema logică a sistemului de comandă şi programul conceput se prezintă

în continuare:

Figura 8.9. Schema logică a sistemului de comandă. Programul de comandă „în forţă”.

Motorul funcţionează comandat de un program de reglaj adaptiv prezentat în continuare.

8.6. Optimizarea sistemului prin utilizarea unui regulator fuzzy pentru comanda în forţă/poziţie (impedanţă) a axei de translaţie cu acţionare electrică.

Figura 8.22. Modelul SIMULINK al sistemului cu reglare fuzzy după reacţie

în poziţie/forţă (impedanţă). În urma experimentelor realizate cu sistemul fuzzy, optimizat se observă

îmbunătăţirea substanţială a reglării, eliminându-se întârzierile produse de frecările şi jocurile sistemului mecanic (diagrama din figura 8.23), fără introducerea altor erori: suprareglaje sau zone de instabilitate dinamică.

Figura 8.23. Diagrama semnalului traductorului pentru sistemul de comandă cu reglaj fuzzy

8.8. Concluzii privind funcţionarea sistemului cu reglare fuzzy după forţă.

CAPITOLUL 9 CONCLUZII FINALE ŞI CONTRIBUŢII ORIGINALE

9.1. Contribuţii originale. 9.2. Contribuţii în domeniul sistematizării informaţiilor bibliografice Autorul a realizat o sistematizare a informaţiilor extrase din materialul

bibliografic studiat în vederea elaborării tezei după cum urmează: - privind definiţiile date roboţilor de către diverse instituţii de specialitate şi

organism internaţionale din domeniu; - privind clasificarea roboţilor pe diferite criterii şi anume după domeniul

de aplicaţii, structura sistemului mecanic, sisteme de acţionare, grade de inteligenţă etc;

- privind istoricul roboţilor şi roboticii, scoţând în evidenţă şi realizării în diferite ţări avansate din lume;

- privind domeniile, aplicaţiilor industriale şi neindustriale ale roboţilor; - privind structura şi organologia sistemelor de acţionate electrică a

roboţilor, prezentând exthaustiv acţionarea cu motoare electrice de curent continu, alternative şi cu motoare electrice pas cu pas, cu avantaje şi dezavantaje;

- definirea mai riguroasă a noţiunii de „modul “ al unui robot industrial şi construcţia modulară a roboţilor;

9.3. Contribuţii în domeniul elaborării unor noi metode de proiectare a sistemelor de acţionare a roboţilor

Aceste contribuţii sunt: - elaborarea unei metode rapide de alegere optimală a motoarelor din

componenţa sistemelor de acţionare ale roboţilor industriali; - întocmirea unei ordinograme originale privind calculul dinamic

aproximativ pentru analiza funcţionării unui robot; - stabilirea metodologiei privind analiza dinamică a unui robot; - stabilirea criteriilor de conducere adoptivă a roboţilor industriali; - modelarea matematică şi simularea funcţionării unei axe de translaţie cu

acţionare electric cu motor de current continu condusă prin calculator; - efectuarea simulării axei de translaţie şi validarea experimental a modelui

matematic întocmit; - elaborarea unei strategii de conducere „în forţă“ a axei de translaţie cu

acţionare electrică cu supravegherea forţei perturbatoare; - conceperea şi efectuarea experimentărilor privind răspunsul dinamic al

axei de translaţie electrică şi compararea rezultatelor experimentale cu cele obţinute prin simulare utilizând regulatoare fuzzy;

Fac precizarea că metodologiile stabilite prin aceste contribuţii pot fi utilizate şi în cazul altor tipuri de acţionări (hidraulice, pneumatic, mixte) cu particularizarea parametrilor specifici, ceea ce măreşte gama aplicaţiilor.

9.4. Contribuţii în domeniul aplicaţiilor practice În acest domeni autorul şi-a adus următoarele contribuţii originale:

- proiectarea şi realizarea unui modul de translaţie (axă de translaţie) cu acţionare electrică, condusă prin calculator;

- conceperea şi realizarea unui system de conducere adaptivă în forţă; - întocmirea unor programe în Visual Basic şi rularea lor pentru obţinerea

tabelară şi grafică a parametrilor motoarelor de acţionare; - conceperea şi realizarea instalaţiei de reglare a vitezei motorului electric; - întocmirea programului de achiziţie a datelor şi comanda unei axe de

translaţie (modul de translaţie) cu acţionare electrică utilizând calculatorul numeric;

- modulul de translaţie proiectat şi realizat intră în dotarea laboratorului de Robotică iar pe baza lui se pot realize lucrări de laborator privind construcţia sistemului mechanic, a sistemului de acţionare, precum şi comanda şi conducerea roboţilor, fiind util în pregătirea viitorilor specialişti în domeniul roboticii.

9.5. Contribuţii în domeniul cercetării experimentale Aceste contribuţii sunt cuprinse în capitolele 5, 6, 8 şi sunt: - conceperea şi realizarea modulului de translaţie, a sistemului de

acţionare şi al sistemului perturbator; - modelarea matematică şi simularea funcţionării axei (modulului) de

translaţie cu acţionare electrică utilizând un motor de curent continu; - efectuarea simulării funcţionării axei şi validarea experimentală a

modelului matematic stabilit; - elaborarea unei strategii de conducere „în forţă“şi forţă a axei de

translaţie cu acţionare electrică, cu supraregrarea forţei perturbatoare, utilizând regulatoare fuzzy.

- conceperea şi efectuarea experimentărilor privind răspunsul dinamic al axei de translaţie şi compararea rezultatelor cu cele obţinute prin simulare;

- conceperea sistemului de conducere adaptivă a axei de translaţie; - rularea programului întocmit în vederea conducerii adaptive în forţă a

modulului, utilizând regulatoare fuzzy - optimizarea funcţională a sistemului conceput şi realizat.

BIBLIOGRAFIE

[A8] Atanasiu, Gh., Maşini electrice speciale, Litografia Universităţii Tehnice Timişoara, 1992.

[B4] Bitoleanu, A., Popescu, Mihaela, Mihai, D., Constantinescu, C., Convertoare statice şi structuri de comandă performante, Editura Sitech, Craiova, 2000.

[C1] Călin, S., Popescu, Th., Jora, B., Sima, V., Conducerea adaptivă şi flexibilă a proceselor industriale, Ed. Tehnică, Bucureşti, 1988. [H3] Harbick K., Sukhatme S., Speed Control of a Pneumatic Monopod using a Neural Network, INTERNET (2002). [H4] J., Hiltner, M., Fahti, B., Reusch – An approach to use linguistic and model-based fuzzy expert knowledge for the analysis of MRT images, Image and Vision Computing , Elsevier Science B.V. 2001. [J2] Jang, R., MATLAB – Fuzzy Toolbox - The MathWorks, Inc. Revision: 1.12 Date: 2000, 15. [K7] Kelemen A.: Acţionări electrice. Editura Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1985. [M2] Maghiar, T., Silaghi, M., Leuca, T., Electrotehnică industrială, Editura Universităţii din Oradea, 2002. [M12] MATLAB SIMULINK 5.1.2. Users Manual. Mathworks Inc. 1998. [P5] Preitl, Şt., Precup, E., Introducerea în conducerea fuzzy a proceselor, Ed. Tehnicã, Bucureşti, 1997. [R3] Reznik L., Ghanayem O., Bourmistrov A., PID plus fuzzy controller structures as a design base for industrial applications, Engineering Applications of Arti®cial Intelligence 13 (2000) 419-430. [S9] Simion, E., Maghiar, T., Electrotehnică, Editura Didactică şi Pedagogică, 1981. [T5] Tripe Vidican A, Ţarcă R, Tripe Vidican C, Robotică ISBN 973-8219-95-7 - Editura Universităţii din Oradea, 2001 [T14] Tripe Vidican A. Vesselenyi T. Tripe Vidican C Elemente electronice de interfaţă Analele Universităţii Oradea -Fascicola Mecanică-1999 [T19] Tripe Vidican C. Tocuţ P Sistem de comandă a unei axe de robot utilizând motoare electrice pas-cu-pas Simpozion naţional cu participare internaţională Robotică 2000 A XV-A ediţie-Oradea [T20] Tripe-Vidican C Tripe Vidican A Tocuţ P. Actuatori şi microactuatori – realizări – tendinţe Partea I Analele Universităţii Oradea -Fascicola Mecanică-2002 [Ţ12] Ţarcă R, Ţarcă I, Tripe Vidican A, Tocuţ P, Tripe Vidican C – DAAAM INTERNATIONAL SCIENTIFIC BOOK 2006 – Viena – ISBN ..... cap. 48 – The functional model of servovisual robot system [Ţ14] Ţarca R, Ţarcă I, Tripe Vidican A, Tocuţ P, Tripe Vidican C., - The functional model of a robot system – Annals of DAAAMfor 2006 & Proceedings Viena 2006 [U1] Uicker J. On the Dynamic Analysis of Spatial Linkages Using 4 by 4 Matrices. PhD thesis, Dept. Mechanical Engineering and Astronautical Sciences, NorthWestern University, 1965. [V3] Viorel, I. A., Iancu, V., Maşini şi acţionări electrice, Litografia Universităţii Tehnice Cluj-Napoca, 1990. [V6] Vaida Ionut Kovacs Francisc Tripe-Vidican C Self – Reconfigurable mobile robot Analele Universităţii Oradea -Fascicola Mecanică-2003

[W3] *** World Robotics 2006. The International Federation of Robotics, United Nations New York and Geneva 2006. [Z1] Zhang J., Knoll A., Schmidt R., A neuro-fuzzy control model for fine-positioning of manipulators, Robotics and Autonomous Systems 32 (2000) 101–113. [Z2] Zhong, J., Scarlaroff, S.,– Temporal Texture Recognition Model Using 3D Features - Department of Computer Science, Boston University, 2004.