C A P I T O L U L 10

MECANISMELE MANIPULATOARELOR ŞI

ROBOŢILOR INDUSTRIALI

10.1. Generalităţi.

Manipulatoarele şi roboţii industriali au început să devină cele mai răspândite şi universale mijloace de automatizare complexă a tuturor ramurilor industriale (construcţia de maşini, industria metalurgică şi extractivă, transporturi, pirotehnie, centrale termonucleare, cucerirea spaţiului cosmic, etc). În prezent, o deosebită răspândire a manipulatoarelor şi roboţilor industriali se găseşte în construcţia de maşini, îndeosebi pentru deservirea utilajelor tehnologice şi realizarea unor operaţii ca: sudare, asamblare, vopsire, încercare, control.

Pe scara evoluţiei tehnice roboţii au apărut ca o continuare a meca-nismelor automate şi au constituit multă vreme un ideal al tehnicii. Abia după 1950, în urma dezvoltării electronicii industriale şi a metodelor de control numeric, au apărut primele realizări care au putut fi denumite roboţi.

Manipulatorul a apărut ca o structură mecanică a unui robot industrial, fiind un subsistem al acestuia. El este un mecanism multimobil care poate fi comandat de om, însă acţionarea se realizează, de regulă, printr-o sursă de energie industrială.

Totodată se poate defini manipulatorul ca un pseudorobot industrial cu un sistem de comandă rudimentar, fiind prevăzut cu un program rigid de lucru şi având o versatilitate redusă.

Robotul industrial este o maşină automată programabilă, folosită în procesul de producţie pentru realizarea unor funcţii de acţionare analoge cu cele realizate de mâna omului, pentru deplasarea unor piese sau scule din procesele tehnologice.

Odată cu proiectarea primilor roboţi industriali s-au definit şi primele condiţii pe care trebuie să le respecte acesta, condiţii care ulterior s-au transformat în principiile de bază:

- să nu dăuneze omului;

- să fie subordonat omului,

- să se protejeze pe sine însuşi de vătămări.

Cu trecerea timpului s-au conturat foarte multe soluţii şi variante constructive.

Acestea diferă prin sistemul de coordonate folosit, numărul gradelor de mobilitate, natura acţionării, capacitatea memoriei, caracterul mişcării, modul de programare, utilizare, etc.

Statisticile estimează că în lume există astăzi peste 150 000 de roboţi industriali instalaţi, iar numărul total al tipurilor este de ordinul sutelor.

10.2. Clasificare şi avantaje.

  Criteriile cele mai uzuale pentru clasificarea manipulatoarelor şi roboţilor industriali sunt cele referitoare la nivelul performanţei (generaţii), modalităţi de conducere, domeniu de aplicare.

a). Criteriul performanţelor are în vedere capacitatea şi gradul de evoluţie al RI în ceea ce priveşte perceperea şi interpretarea informaţiilor primite din zona de lucru, precum şi capacitatea de adaptare.

Se disting trei generaţii de roboţi industriali.

- Generaţia I -a funcţionează pe baza unui program rigid, prestabilit care nu se poate modifica în timpul execuţiei operaţiilor de lucru.

Are versatilitate slabă, aceasta constând în posibilitatea modificării programului, astfel încât succesiunea operaţiilor va fi conformă programului modificat.

De obicei, aceşti roboţi industriali nu primesc nici un fel de informaţii din zona de lucru şi nu realizează conexiunea inversă (feedback). Poziţia obiectului de manipulat este cunoscută prin coordonate fixe.

- Generaţia a II -a cuprinde roboţi industriali ce captează informaţii, din zona lor de lucru, cu ajutorul unor senzori (mecanici, electromagnetici, optici, etc.), şi funcţie de aceste informaţii îşi orientează partea terminală în mod adecvat.

Coordonatele obiectului de manipulat sunt necunoscute iniţial robotului, astfel că în algoritmul său se prevede poziţionarea părţii terminale funcţie de coordonatele captate prin senzori, funcţie de ţinta finală şi de modalitatea de mişcare. Traiectoria ce urmează a fi realizată este condiţionată de situaţia dată, ceea ce corespunde unui anumit grad de adaptabilitate al acestor roboţi. Programul flexibil prestabilit poate fi modificat în urma unor reacţii specifice mediului ambiant.

- Generaţia a III -a cuprinde roboţii care captează informaţii detaliate din zona de lucru, cu ajutorul unor senzori complecşi, comanda fiind asigurată de un calculator de capacitate mare. Aceşti roboţi au o mare autonomie fiind dotaţi cu inteligenţă artificială şi memorie, pot să recunoască forme, să ia decizii, să participe la procese de montaj.

Comunicarea sarcinilor se face într-un anumit limbaj de programare, într-o formulare generală, asemenea omului. Numai generaţia a III-a poate fi considerată ca generaţie de roboţi industriali adevăraţi, deoarece aceştia îşi pot adapta singuri în anumite limite, propriul program la condiţiile concrete ale mediului ambiant, în vederea optimizării operaţiilor pe care le execută.

b). Criteriul modalităţii de conducere evidenţiază roboţii industriali cu:- Conducerea directă de către operator; - roboţii execută toate

operaţiile prin comenzile date de om. Informaţiile privind zona de lucru ajung la operator pe diverse căi: organele de simţ proprii ale operatorului, linii TV când se execută operaţii de manipularea substanţelor pirotehnice sau radioactive. Acestea sunt de fapt manipulatoare tip Master-Slave (figura 10.3.)

Figura 10.3.

- Conducerea după un program rigid; - roboţii pot fi instruiţi să efectueze un ciclu de operaţii în anumite limite date. Programul acestui ciclu de operaţii este înregistrat într-o memorie (mecanică, electronică). Programul poate fi schimbat astfel că robotil industrial poate învăţa în limitele performanţei construcţiei. Cu cât se doreşte o versatilitate mai mare cu atât complexitatea sistemului de memorie va fi mai mare. Aceşti roboţi aparţin generaţiei a I-a.

- Conducerea prin comanda calculatorului; - roboţii pot fi încadraţi în oricare din cele trei generaţii, în funcţie de capacitatea de memorie a calculatorului. Programarea robotului pentru o anume operaţie se face prin instruirea directă de către operator.

De regulă în această categorie sunt incluşi roboţii industriali din generaţiile a II -a şi a III -a care dispun de sisteme de inteligenţă artificială mai evoluată.

c).- Criteriul domeniului de aplicare scoate în evidenţă roboţii utilizaţi în: industrie (inclusiv cea nucleară), oceanografie (cercetări subacvatice), medicină, cercetări spaţiale. Pentru cercetări şi deplasări pe teren denivelat s-au realizat roboţi tip pedipulatoare sau roboţi păşitori.

Manipulatoarele şi roboţii industriali faţă de alte procedee de lucru prezintă o serie de avantaje:

- automatizarea producţiei de serie mică;

- mărirea productivităţii muncii;

- uşurarea muncii muncitorului şi evitarea accidentelor de muncă;

- înlocuirea omului la operaţii în medii periculoase sau dăunătoare.

 

10.3. Structura şi funcţiile sistemului mecanic al roboţilor industriali

Modulele ce compun sistemul mecanic al unui robot industrial sunt prezentate în figura 10.4. Structura sistemului mecanic al roboţilor industriali trebuie să corespundă în principal funcţiilor braţului şi mâinii umane şi în unele cazuri şi funcţiilor picioarelor.

Această structură se impune pentru a fi posibilă deplasarea obiectului manipulat în spaţiu dintr-o poziţie într-alta bine determinate.

Sistemul mecanic de locomoţie şi sistemul mecanic de manipulare permit realizarea acestor funcţii.

Sistemul mecanic de locomoţie este un sistem mecanic complex care permite robotului deplasarea în mediul de lucru pentru efectuarea operaţiei robotizate.

Sistemul mecanic de manipulare cuprinde lanţul cinematic de ghidare sau manipulatorul şi organul de execuţie sau efectorul. Acesta, constituie scheletul robotului. Este alcătuit în general din elemente cinematice (rigide sau deformabile) legate între ele prin cuple cinematice.

Lanţul cinematic de ghidare realizează deplasarea efectorului dintr-o poziţie într-alta, generează o anumită traiectorie, în concordanţă cu cerinţele procesului tehnologic în care se integrează roboţii. Se compune din mecanismul generator de traiectorii (mecanism de poziţionare) şi mecanismul de orientare.

Mecanismul generator de traiectorii este constituit ca lanţ cinematic principal şi are ca bază fundaţia sau postamentul robotului când acesta este fix şi mecanismul de locomoţie când acesta este mobil. De regulă este un mecanism cu bare şi poartă denumirea de braţul robotului.

Mecanismul de orientare este un lanţ cinematic intermediar (secundar) şi are ca bază elementul final al mecanismului generator de traiectorii. Este realizat de regulă cu roţi dinţate.

Efectorul este realizat fie dintr-un mecanism de prehensiune când se pune problema manipulării unui obiect material, fie dintr-o sculă (dispozitiv de sudare, pistol de vopsire, şurubelniţă automată, etc.), fie dintr-un cap de forţă (polizor pentru debavurare sau rectificare, etc.).

Are ca bază elementul final al mecanismului de orientare.

Mecanismul de prehensiune (de apucare), este un lanţ cinematic final. Mai poartă denumirea de mână mecanică sau prehensor şi poate fi sub formă de cleşte, bacuri, graifer, degete, ventuză, electromagneţi, matrice cu ştifturi, etc.

Figura 10.4.

10.4. Gradul de mobilitate şi manevrabilitatea roboţilor industriali

 

a) Mobilitatea unui lanţ cinematic se defineşte prin numărul parametrilor geometro-cinematici independenţi necesari pentru controlul mişcării tuturor elementelor cinematice distincte.

Partea mecanică a unui robot industrial este un mecanism cu structură etajată, obţinut prin materializarea unor lanţuri cinematice deschise, închise sau combinate.

Mobilitatea unei structuri mecanice de robot industrial se stabileşte în raport cu elementul suport care este fix sau se consideră fix.

Prin grad de mobilitate se înţelege numărul posibilităţilor de mişcare pe care le poate avea un lanţ cinematic în raport cu un sistem de referinţă solidarizat cu unul din elementele sale şi care, de obicei, este elementul fix numit bază.

Expresia gradului de mobilitate pentru structura mecanică a unui robot industrial este:

 

unde:

f = (0 -5) - condiţii generale de legătură care sunt egale cu numărul

restricţiilor impuse de spaţiul de lucru pentru un contur independent;

e-1=n - numărul elementelor componente mobile faţă de elementul

considerat fix;

e - numărul total de elemente;

i=(1 - 5) - numărul mişcărilor anulate de o cuplă cinematică (defineşte

clasa cuplei respective);

C, - numărul cuplelor de clasa i .

Dacă se ţine cont de suma gradelor de libertate ale legăturilor pasive Lp

şi suma gradelor de libertate de prisos Lid, expresia gradului de mobilitate M devine:

ifi

CfiefM

5

116

idpii

LLCieM5

116

Aşa cum s-a arătat, în componenţa structurilor mecanice ale roboţilor industriali intră cuple cinematice inferioare de clasa a V-a de rotaţie sau de translaţie.

În funcţie de complexitatea structurii mecanice a roboţilor industriali se pot lua în studiu două cazuri particulare:

        Dacă mecanismul structurii mecanice a robotului industrial are în

componenţă un lanţ cinematic deschis (figura 10.5) cu cuple inferioare de rotaţie R şi/sau de translaţie T , atunci

 

iar gradul de mobilitate M devine:

  . (2.10)

  Deci,

(2.11)

,;; neCLL idp 100 5

nnfnfCfnfM 5656 5

.nCM 5

Figura 10.5.

        Pentru calculul mobilităţii mecanismelor complexe, cu contururi închise de rang complementar diferit, se foloseşte relaţia:

 

(2.20)

 

unde este rangul complementar mediu (aparent), iar clasa i a cuplelor

nu este limitată inferior de fa.

Mobilitatea mecanismului manipulator al unui robot industrial se poate calcula în mod unitar în funcţie de gradele de libertate ale cuplelor cinematice şi ale spaţiilor cinematice (de lucru) specifice fiecãrui contur închis independent [2]. În acest caz se noteazã cu l libertãţile permise de o cuplã cinematicã; cu Cl numãrul cuplelor cinematice cu l

mişcãri elementare independente; cu r rangul spaţiului cinematic al unui contur (închis) independent şi cu Nr numãrul contururilor independente.

,.... kfff 21

,ii

aaaf CfinfM

5

16

k

iia f

kf

1

1

b) Manevrabilitatea este specificã structurilor de manipulare ale roboţilor industriali cu lanţ cinematic deschis, cînd mobilitatea se calculeazã cu relaţia (2.25):

 

M = = C1 + 2C2 + 3C3 + 4C4 + 5C5 . (2.26)

 

În situaţia în care, prin fixarea unui punct al ultimului element cinematic, (efectorul) se vor anula trei grade de libertate, se obţine o nouã mobilitate a lanţului cinematic (devenit închis).

Aceastã mobilitate rezidualã, este denumitã manevrabilitate se notează cu M* şi se calculează cu relaţia:

 

M* = M - 3 = (2.27)

5

13

lllC .

Dacã se fixeazã elementul cinematic final al lanţului, se vor anula şase grade de libertate, astfel cã relaţia de calcul a manevrabilitãţii este:

 

M* = (2.28)

 

În cazul structurilor de manipulare ale roboţilor industriali cu cuple tip R şi T , (l = 1) formulele de calcul ale manevrabilitãţii devin:

        Prin fixarea unui punct

M* = C1 - 3 - (în spaţiul cinematic cu r = 6);

M* = C1 - 2 - ( în spaţiul cinematic cu r = 3);

        Prin fixarea unui element

  M* = C1 - 6 (r = 6);

M* = C1 - 3 (r =3).

5

16

lllC .

Notând cu q numãrul gradelor de libertate anulate (ale ultimului element din lanţul cinematic deschis), se obţine pentru manevrabilitatea structuri de manipulare a robotului industrial formula care generalizeazã relaţiile (2.27) şi (2.28):

M* =. (2.29)

 

unde q = (1 ¸ 6).

Gradul de manevrabilitate, din punct de vedere fizic, reprezintă numărul posibilităţilor distincte de mişcare ale structurii mecanice pentru a aduce în aceeaşi poziţie elementul de care este solidarizat obiectul material manipulat.

Pentru manevre de mare complexitate (ocolirea unor obstacole de către obiectul material manipulat, introducerea obiectului manipulat într-un recipient) sunt necesare mai mult de 6 grade de mobilitate:

 

M* 6 (2.30)

 

şi apare în această situaţie aşa numita problemă a redundanţei gradelor de mobilitate.

5

1ll qlC

10.3.2. Lanţurile generatoare de traiectorii.

 

Scopul acestor lanţuri este de a asigura deplasarea punctului caracteristic dintr-o poziţie în alta, pe o anumită traiectorie.

Traiectoriile necesare manipulatoarelor şi roboţilor industriali pot fi: drepte, arce de cerc, curbe de bielă, curbe în spaţiu.

Traiectoria dreaptă poate fi realizată de un element cu mişcare de translaţie, iar cea după un arc de cerc, de un element oscilant (mişcare de rotaţie incompletă).

Traiectoria după o curbă de bielă poate fi realizată prin mecanisme plane uzuale cu M = 1.

În general, manipulatoarele, dar mai ales roboţii industriali, necesită traiectorii după curbe plane sau spaţiale, obţinute cu mecanisme ce au M > 1. În acest caz, la fiecare poziţie a fiecărui element conducător, corespunde o curbă precizată ca traiectorie; pentru domeniul de mişcare al fiecărui element conducător, va rezulta un anumit spaţiu de lucru al punctului caracteristic.

Astfel, în cazul lanţului deschis ABM din figura 10.6. (diada Cebâşev), pentru fiecare poziţie a lui AB, punctul M se va afla pe un cerc. Pentru domeniul de mişcare al lui B (arcul B1B2), punctul M poate ocupa orice poziţie între înfăşurătorile I1 şi I2 şi semicercurile extreme.

Figura 10.6.

10.3.3. Lanţuri de orientare.

Lanţurile de orientare sunt realizate în diferite variante structurale şi constructive, dispunând de cel mult trei grade de mobilitate proprii, care constau de regulă în mişcări de rotaţie în raport cu axele sistemului cartezian mobil cu originea în punctul caracteristic P al mecanismului de poziţionare, (figura 10.7).

Figura 10.7.

Cele trei mişcări de rotaţie specifice unui mecanism de orientare trimobil (figura 10.8.b.) au următoarele denumiri convenţionale, care au fost date prin analogie cu mişcările articulaţiei palmei (figura 10.8.a.):

x = flexie-extensie;

y = pronaţie-supinaţie;

z = aducţie-abducţie;

Figura 10.8.

În construcţia manipulatoarelor se disting mecanisme de orientare care realizează la elementele conduse: mişcări independente (total separate ori parţial decuplate) şi mişcări dependente (cuplate total ori parţial).

Elementele cinematice din componenţa mecanismelor de orientare sunt de regulă roţile dinţate cilindrice şi conice, rigide şi elastice, bare şi cabluri flexibile.

Acţionarea se realizează cu motoare rotative (electrice, hidraulice) sau cu motoare translante de tip hidraulic, folosindu-se ca transmisii reductoare melcate sau armonice.

Mecanisme de orientare cu elemente flexibile.

Aceste mecanisme de orientare fac parte din categoria mecanismelor poliarticulate, având forma trompei de elefant, din care cauză sunt denumite mecanisme trompoide (figura 10.9.).

Figura 10.9.

Figura 10.10.

Constituind o clasă de mecanisme moderne, aceste mecanisme trompoide sunt utilizate atât ca mecanisme de orientare cât şi ca mecanisme de poziţionare, deci se folosesc pentru generarea de traiectorii într-un anumit spaţiu de lucru.

Mecanismul tip trompoid realizează orientarea şi micropoziţionarea unui obiect într-o incintă cu o configuraţie complicată, ca de exemplu, în cazul operaţiilor de sudare şi vopsire a caroseriei de autovehicul.

De remarcat că mecanismele trompoide se pot constitui ca lanţuri cinematice deschise fără elemente flexibile şi cu elemente flexibile (cabluri).

Mecanismele de orientare cu elemente flexibile folosesc de regulă poliarticulaţii sferice pentru legarea elementelor rigide ale lanţului cinematic deschis.

Un exemplu de mecanism de orientare trompoid este cel folosit de manipulatorul Renault (figura 10.10.), la care lanţul cinematic central este format din bare articulate sferic.

Poziţia relativă a elementelor cinematice 1, 2, 3 în raport cu ultimul element al mecanismului de poziţionare MP (considerat fix şi notat cu 0 ) se realizează cu patru cabluri c1 . . . . c4 . Aceste cabluri sunt ghidate în fiecare element 0, 1, 2 prin orificii adecvate (hiperboloid cu o pânză), având unul din capete (cel din dreapta) fixat la elementul 3, iar celălalt capăt al cablului este legat de un piston care se deplasează într-un cilindru fixat în ultimul element al MP.

Un mecanism de orientare MO trompoid, de acest fel, permite numai cele două rotaţii x (flexie) şi z (abducţie), chiar dacă aparent dispune de patru mobilităţi (corespunzătoare celor patru pistoane). În realitate pot funcţiona, ca elemente conducătoare, unul sau cel mult două din cele patru pistoane ale mecanismului trompoid, acesta fiind de tipul MO-2R.

10.3.4. Mecanisme de prehensiune.

 

Mecanismele de prehensiune sunt cunoscute şi sub denumirea de mecanisme de apucare (MA), reprezentând veriga finală din alcătuirea roboţilor industriali, a manipulatoarelor şi a altor dispozitive automate, realizând ca funcţie principală apucarea (prinderea) obiectului de lucru (OL), menţinera acestuia fără pierderea orientării relative în timpul transportului şi desprinderea la sfârşitul ciclului. Mai sunt cunoscute şi sub denumirea de mâini mecanice, graifere sau prehensoare.

Suportul mecanismului de apucare este rigidizat cu elementul de ieşire al mecanismului de orientare şi are două, trei sau mai multe elemente conduse care au diverse denumiri ca: bacuri, fălci, degete, cleşti, etc.

După apucarea obiectului, acesta este menţinut într-o anumită poziţie, pe timpul procesului tehnologic sau de transfer, fără ca suprafeţele de prindere să fie deteriorate. De asemenea, aceste mecanisme trebuie să asigure strângerea obiectului de lucru chiar dacă accidental se întrerupe sursa de energie.

Cele mai răspândite MA de uz general sunt construcţii cu două degete, fiind utilizate şi MA cu trei degete, în cazul unor cerinţe strânse privind precizia strângerii sau a manipulării sarcinilor mari.

Prinderea OL se face prin mişcarea sincronă, corelată a două sau trei degete portbanc, în acest fel realizându-se atât centrarea, cât şi preluarea forţelor transversale.

Asigurarea mişcării sincrone a degetelor se obţine, cel mai sigur, prin utilizarea unui singur motor cu mişcare rectilinie şi realizarea de structuri cinematice identice pentru mişcarea degetelor.

Diversele tipuri de mecanisme de apucare MA pot fi grupate astfel:

- MA mecanice cu bacuri fixe sau elastice;

- MA cu vacum;

- MA cu senzori;

Dacă se analizează, spre exemplu, MA mecanic cu bacuri şi acţionare cu motor liniar, cu membrană cu simplu efect, reprezentat în figura 10.11.a. şi schematizat în figura 10.11.b, se constată că este realizat din două mecanisme bielă manivelă identice: 1, 2, 3, 4 şi 1, 2, 3', 4' cu elementul 1 fix şi elementul 2 comun (figura 10.11.c.). Datorită simetriei în figura 10.11.d. a fost considerat numai unul din lanţurile cinematice 1, 2, 3, 4.

Din punct de vedere structural, mecanismul cuprinde patru elemente, dintre care trei mobile şi patru cuple de clasa a V-a.

În acest caz, gradul de mobilitate este: M = 3n -2C5 = 3 . 3 - 2 . 4 = 1.

Figura 10.11.

Rezultă o mişcare determinată a elementului de ieşire 4 (degetul portbac), sub acţiunea motorului liniar (elementul 2). Această stare cinematică corespunde primei faze de funcţionare a MA când bacurile se aproprie de obiectul de lucru (OL).

A doua fază de funcţionare se petrece atunci când bacurile vin în contact cu OL şi întreg lanţul cinematic se rigidizează, deoarece în acest caz se poate considera că elementele 4, 4' şi OL formează un corp unic, ceea ce, pentru unul din mecanisme, revine la rigidizarea OL şi a elementului 4 (figura 10.11.d). În această situaţie n = 2; C5 = 4; M > 0.

10.4. Roboţi industriali utilizaţi în tehnica actuală.

O dată cu dezvoltarea rapidă a roboticii s-au conturat foarte multe soluţii şi variante constructive de roboţi industriali. Acestea diferă prin sistemul de

coordonate folosit, numărul gradelor de mobilitate, natura acţionării, capacitatea memoriei, caracterul mişcării, modul de programare, utilizare, etc.

Pe piaţă s-au impus doar acele soluţii care au găsit aplicaţii industriale remarcabile. Ca urmare, variantele constructive s-au redus la cele mai reprezentative. Cel mai tipic caz în acest sens este al RI cu cinematică antropomorfă din seria IRb al firmei suedeze ASEA. În figura 10.21. se prezintă

configuraţia reală a acestui robot cât şi schema cinematică. Pe figură se poate urmări în funcţie de amplasarea subansamblelor, mişcările realizate precum şi tipul robotului. Robotul este de tipul RRRRR.

În figura 10.22. se prezintă un robot al firmei italiene COMAU de tipul RRTRR, iar în figura 10.23. un robot de tip RRRRRR cu şase grade de mobilitate produs de ACMA (Renault).

În Germania, firma KUKA a produs un robot tot cu şase grade de mobilitate prezentat în figura 10.24.

Figura 10.21.

Figura 10.22.

Figura 10.23. Figura 10.24.