pan dumb r final

Editura POLITEHNIUM

2009

Sisteme de Control al Roboilor Modelarea Cinematic

Doru Adrian Pnescu tefan Dumbrav

Doru Adrian Pnescu tefan Dumbrav

Sisteme de Control al Roboilor

Modelarea Cinematic

Editura POLITEHNIUM

2009

Prefa

Domeniul Roboticii este unul cu o evoluie deosebit, care a marcat creteri ale ateniei acordate de cercettori i respectiv perioade n care domeniul a prut s nu mai progreseze; n prezent aria de interes a Roboticii este n expansiune, aprnd noi zone de aplicare i fiind necesar rezolvarea de noi probleme. Considerat ca o disciplin a ingineriei de mai bine de 50 de ani, Robotica a continuat s lanseze provocri i s determine rezultate deosebite att din punct de vedere teoretic ct i aplicativ. Dei exist o literatur consistent n domeniul Roboticii, mai ales n privina sistemelor de control sunt nc n studiu arhitecturi de control care s determine o autonomie mai mare a roboilor, performane mai bune privind viteza de lucru i precizia de operare, sau simplificarea prii de programare.

O caracteristic sporind dificultatea domeniului Roboticii este dat de caracterul interdisciplinar al acesteia. n acest context, lucrarea de fa a adunat o parte din materialul susinut de autori n cadrul disciplinelor Sisteme de control al roboilor i Robotic, pentru studenii specializrii de Automatic i Informatic Aplicat din cadrul Facultii de Automatic i Calculatoare. Legtura domeniului Roboticii cu cel al Automaticii i respectiv Informaticii Aplicate este evident. Un robot este un sistem complex, multivariabil, neliniar, a crui arhitectur de control presupune rezolvarea unor probleme complexe. De asemenea, n ceea ce privete programarea, este necesar stpnirea unor metode i instrumente ale informaticii clasice, iar mai recent din Inteligena Artificial, pentru a putea obine un program eficient al unui robot, acesta necesitnd ntotdeauna i rezolvarea unei probleme de programare. Dificultatea pe care autorii au ntlnit-o frecvent a fost aceea a transmiterii pentru inginerii care urmeaz s lucreze cu sistemele de control i programare ale unui robot a cunotinelor necesare, relevante din punct de vedere al teoriei controlului, privind structura mecanic a roboilor, atunci cnd pregtirea respectivilor studeni este mai restrns n domeniul Mecanicii. Materialul prezentat n acest volum poate fi considerat o ncercare pentru depirea acestei dificulti.

Astfel, cele dou pri ale lucrrii vizeaz formarea unei imagini corecte n legtur cu ceea ce nseamn dependena dintre partea mecanic i subsistemele de control i programare ale unui robot. Prima parte are drept scop introducerea noiunilor fundamentale folosite n domeniul Roboticii; cunoaterea

IV

caracteristicilor roboilor, a structurii generale a unui robot ca sistem obinut din cuplarea unui lan cinematic asigurnd efectuarea micrilor necesare cu un calculator ce formeaz subsistemul de control i programare, a clasificrii roboilor dup diferitele criterii folosite n Robotic. Toate acestea reprezint elemente importante pentru cei care vor lucra n domeniul respectiv.

Partea cea mai ampl a lucrrii este dedicat determinrii modelului cinematic al unui robot. Acesta este n mod normal subiectul cu care poate ncepe abordarea oricrei probleme din domeniul Roboticii, fie c este vorba despre proiectarea sau utilizarea unui robot. ntr-adevr, cunoaterea modelului cinematic direct permite determinarea spaiului de operare, ca o caracteristic esenial a unui robot, nelegerea posibilitilor i restriciilor de micare. n plus, aflarea modelului cinematic direct este etapa care faciliteaz rezolvarea modelului cinematic invers n abordrile algebrice. Acesta din urm este strict necesar sistemului de control al unui robot: pe baza modelului cinematic invers pot fi determinate deplasrile n articulaiile unui robot necesare pentru ca acesta s ndeplineasc sarcina de lucru, deplasrile respective reprezentnd mrimile de intrare ale sistemului de reglare a micrii robotului. Parcurgnd materialul prezentat n lucrare rezult faptul c nu exist un algoritm general valabil pentru calculul modelului cinematic invers, ci mai multe abordri, experiena celui care face modelarea permindu-i acestuia s gseasc varianta optim. Astfel, pentru sistemul de control al robotului este de interes gsirea unui model cinematic invers care s permit evidenierea tuturor soluiilor, cu un volum al calculelor ct mai restrns, avnd n vedere i includerea modelului n arhitectura de control al robotului, cu restricii importante de funcionare n timp real.

Exemplele care nsoesc materialul prezentat se refer la cazul roboilor industriali. Acetia reprezint n continuare cmpul de aplicare cel mai important al Roboticii, iar n plus preferina autorilor a fost determinat i de experimentele ce au putut fi efectuate pe roboii industriali existeni n Laboratorul de Robotic i Fabricaie asistat de calculator din Facultatea de Automatic i Calculatoare. Materialul prezentat are un important scop didactic, fiind nsoit att de probleme rezolvate ct i de ntrebri i probleme propuse spre rezolvare. Autorii in s mulumeasc tuturor colaboratorilor mai tineri studeni, masteranzi, doctoranzi, ale cror observaii i ntrebri au permis mbuntirea materialului din aceast carte.

Autorii

V

Cuprins

Prefa III Cuprins V I. Domeniul Roboticii 1 1.1. Definiia robotului i a robotului industrial 1 1.2. Definiia Roboticii 3 1.3. Istoricul Roboticii 7 1.4. Clasificarea roboilor 10 1.5. Caracteristici ale roboilor; criterii de selecie 23 1.6. Noiunea de sistem robotic 28 1.7. Domenii de aplicare a roboilor 32 1.8. Concluzii Probleme propuse 34 II. Determinarea modelului cinematic al roboilor 37 2.1. Introducere; probleme cinematice 37 2.2. Reprezentare omogen, coordonate omogene 41 2.3. Transformri omogene generaliti 43 2.4. Transformri omogene elementare 51 2.5. Compunerea transformrilor omogene 54 2.6. Rotaia unui reper fa de o ax oarecare; realizarea unei orientri impuse 66 2.7. Reprezentarea Denavit-Hartenberg i transformarea Denavit-Hartenberg 71 2.8. Unghiurile lui Euler i transformarea Euler 78 2.9. Unghiurile roll, pitch, yaw i transformarea omogen corespunztoare 81 2.10. Determinarea modelului cinematic direct al roboilor industriali 83 2.11. Exemple privind determinarea modelului cinematic direct 88 2.12. Determinarea modelului cinematic invers al roboilor industriali 99 2.13. Concluzii Probleme propuse 120

Bibliografie 124 Index 126

1.1. Definiia robotului i a robotului industrial

O definiie precis i unanim acceptat a noiunii de robot nu exist.

Diferitele variante ngusteaz sau lrgesc sfera de cuprindere a acestei noiuni, sau pun accent pe anumite caracteristici ale roboilor [Sto, 05]. O definiie cuprinztoare este urmtoarea.

Robotul este un sistem cu funcionarea automat, adaptabil prin programare condiiilor mediului n care acioneaz, destinat nlocuirii activitii unuia sau mai multor operatori, sau amplificrii (prelungirii) unei funcii a acestora [Pal, 89], [Dav, 83]. Asemenea cerine sunt satisfcute att de roboii industriali, ct i de alte echipamente, de la roboii folosii n explorarea spaiului cosmic, pn la aa numiii roboi de buctrie (acetia satisfac cerina funcionrii automate, dar adaptabilitatea i programabilitatea sunt restrnse n acest caz). n tentativa de a fi general, definiia respectiv cuprinde cele dou cazuri posibile: sistemele care au o funcionare automat i independent de operator aceste sisteme ar forma ntr-o accepiune mai restrictiv roboii propriu-zii, sau roboii autonomi, respectiv sistemele care amplific sau prelungesc o anumit funcie a operatorului (de exemplu, capacitatea acestuia de a manevra obiecte grele), situaie n care denumirea mai specific este aceea de telemanipulator. Acesta este un sistem de manipulare care lucreaz cuplat cu operatorul, exemplul cel mai cunoscut fiind acela al minilor comandate de la distan, care lucreaz ntr-o incint separat printr-un ecran de protecie fa de operatorul uman; este vorba de sistemele care au permis manevrarea materialelor radioactive.

Robotul industrial se ncadreaz n definiia de mai sus, fiind cazul particular al unui sistem destinat s opereze n mediul industrial, pentru a efectua o secven de operaii ntr-un proces tehnologic. Spre comparaie, Institutul American de Robotic folosete definiia conform creia robotul industrial este un echipament multifuncional, reprogramabil, conceput pentru a deplasa materiale, piese, unelte, sau dispozitive specializate pe traiectorii variabile i reprogramabile, n scopul

Domeniul Roboticii

2

realizrii unor sarcini variate [Mur, 00], [Fu, 87]. Cuprinznd elementele generale de caracterizare a roboilor, accentul este pus n acest caz pe proprietatea de mobilitate un robot folosit n industrie trebuie s poat efectua o secven de micri prin care rezolv o sarcin tehnologic: deplaseaz obiecte, realizeaz o operaie de vopsire, sudur, etc.

Robotul, prin flexibilitatea n utilizare dat printre altele de programabilitatea sa, poate fi asemnat cu un calculator. La fel ca i acesta, robotul nu trebuie s fie privit de utilizator ca un echipament destinat rezolvrii unei sarcini unice; dimpotriv, prin reprogramare, robotul va fi capabil s ndeplineasc o gam ntreag de sarcini. Dac exist aceast asemnare, trebuie remarcat i deosebirea esenial dintre un robot i un calculator. Aceasta se refer la ieirile (rezultatele) diferite pentru cele dou sisteme. Pentru un robot rezultatul este sub forma micrilor pe care le execut, n timp ce pentru un calculator rezultatele sunt informaiile comunicate utilizatorului ntr-o form sau alta (afiare pe terminal, date nscrise n fiiere, etc). Altfel spus, un robot conine un calculator care i confer caracteristica de programabilitate, dar acesta este cuplat cu un sistem mecanic, care trebuie s asigure i el flexibilitate n utilizarea robotului, permind materializarea a diferite micri, aciuni, conform programului rulat pe calculatorul robotului. De aici i specificul n utilizare, n aceea c trebuie neles att calculatorul (sistemul de control) care asigur programabilitatea i comanda prii mecanice, dar i sistemul mecanic al robotului, cel care implementeaz aciunile acestuia. Astfel rezult complexitatea sporit a unui robot fa de un calculator primul poate interaciona cu mediul nconjurtor, producnd schimbri n acesta, ceea ce la un calculator nu se ntmpl.

Cuplarea calculator - parte mecanic asigurnd micarea a fost considerat de la primele variante de roboi industriali. Astfel Joseph Engelberger, unul dintre ntemeietorii firmei Unimation, prima companie productoare de roboi industriali, a definit robotul industrial ca o component de automatizare evoluat, ce combin o parte electronic de tip calculator cu sisteme avansate de acionare mecanic, obinndu-se un echipament independent de mare flexibilitate [Eng, 80]. Totodat el scoate n eviden caracteristicile roboilor industriali ai anilor 1970, aspecte care se pstreaz n mare parte i astzi, dndu-ne o imagine asupra unui asemenea echipament. Conform viziunii sale un robot industrial trebuie s posede:

o mn care poate apuca sau elibera diferite piese; un bra care poate mica mna dup cele trei direcii spaiale; mna posed una sau mai multe articulaii determinnd trei posibiliti

de micare (acestea fiind necesare pentru realizarea orientrii);

Sisteme de control al roboilor: modelarea cinematic D. A. Pnescu, t. Dumbrav

3

suficient putere a braului pentru a putea ridica i manevra dup necesitate obiectele de lucru;

faciliti de programabilitate i memorie astfel nct s poat pstra un program de lucru;

sistem de control automat pentru realizarea programului de lucru, care s determine performane de vitez i precizie nu mai slabe dect ale operatorului pe care l nlocuiete;

siguran n funcionare.

Dei standardizarea n domeniul roboilor, chiar i numai a celor industriali, este dificil datorit diversitii acestora, au existat ncercri n acest sens. De exemplu, exist standardul ISO/TR/8373, care definete robotul industrial ca fiind o main destinat manipulrii obiectelor, cu funcionare automat, reprogramabil, multifuncional, avnd mai multe axe de micare, fixat pe o baz staionar sau mobil, destinat utilizrii n aplicaii industriale [Reh, 00]. Ca i cuvinte cheie n aceast definiie i care pot fi regsite n toate referirile la roboii industriali sunt caracteristicile de mobilitate, programabilitate i posibilitatea de utilizare n scopuri diverse.

Mai este de menionat c n prezent a aprut o nou categorie de roboi, adesea cu utilizare extra-industrial, aceea a roboilor inteligeni. Dac proprietatea de adaptabilitate a fost de la nceput inclus ntre aspectele necesare, la roboii inteligeni ea devine o trstur central. Acetia trebuie s poat funciona n mod autonom, fr a necesita intervenii ale operatorului. n plus, nu mai este vorba de echipamente care execut n mod repetat un acelai ciclu (situaie caracteristic pentru majoritatea roboilor industriali actuali, chiar dac i la acetia se pune problema schimbrii ciclului la anumite intervale de timp), ci autonomia presupune ca robotul s fie capabil s ndeplineasc un scop, acionnd ntr-un mediu care se modific, adaptndu-se la aceste schimbri, sau la schimbri ale strii sale (de exemplu, atunci cnd o component a robotului nsui s-a defectat) [Mur, 00].

1.2. Definiia Roboticii

Termenul de robotic a fost pentru prima dat folosit de scriitorul Isaac Asimov, n anul 1942, n povestirea Runaround [Isp, 90]. n aceasta autorul are viziunea evoluiei domeniului tehnic al roboilor pn la roboii inteligeni, astfel c formuleaz aa numitele principii etice ale roboilor. Este vorba de o construcie

Domeniul Roboticii

4

logic elegant, sub forma unui sistem de reguli care se pot apela recursiv, stabilind modul n care robotul va interpreta comenzile primite:

un robot prin aciune sau inaciune nu trebuie s aduc prejudicii unei

fiine umane; un robot trebuie s respecte comenzile omului, cu excepia celor care

contravin primei legi; un robot trebuie s se autoprotejeze, atta timp ct aceast aciune nu

vine n conflict cu primele dou legi.

Robotica este n prezent o ramur a tiinelor tehnice, avnd ca obiect de studiu automatizarea operaiilor umanoide [Pal, 89], [Kov, 82]. n corelaie cu definiia general dat n paragraful anterior, robotica se ocup cu studiul roboilor, prin operaii umanoide avndu-se n vedere activitile fizice i intelectuale, realizate n general de om. Mai specific, robotica a urmrit n primul rnd automatizarea operaiilor efectuate cu ajutorul braelor, minilor, picioarelor, implicnd corelaia cu sistemul senzorial (n primul rnd vederea), i procesele de raionament pentru luarea deciziilor de aciune. Odat cu rspndirea, perfecionarea roboilor i trecerea de la aplicarea lor industrial la folosirea i n alte domenii (aplicaii spaiale, medicale, casnice) s-a produs lrgirea gamei operaiilor umanoide studiate i automatizate de robotic. Dac la primii roboi industriali eseniale erau micrile de manipulare efectuate ntr-o zon relativ restrns, ntr-o secven repetitiv cu puine interaciuni senzoriale, la roboii actuali, chiar n aplicaiile industriale, apar schimburi informaionale importante, pe baza crora sistemul de control al robotului decide secvena de aciuni potrivit ndeplinirii unui scop fixat de utilizator.

Avnd n vedere complexitatea unui robot, care cuprinde subsisteme mecanice, de control, senzoriale, de transfer de informaii, de programare, robotica a aprut i s-a dezvoltat ca o tiin interdisciplinar. n fig. 1.1 sunt prezentate domeniile aflate n conexiunile cu ea; acestea au influenat dezvoltarea Roboticii, iar cunotine din domeniile respective sunt necesare n nelegerea ei. Coninutul Roboticii poate fi apreciat din enumerarea capitolelor acesteia.

1. Modelarea geometric/cinematic studiaz aspectele

geometrice/cinematice ale micrii diferitelor segmente ale robotului n raport cu un sistem de referin de baz, fr a ine seama de forele sau momentele ce produc micarea. Modelul cinematic poate ajuta la nelegerea sarcinilor pe care le poate rezolva un robot prin determinarea zonei de lucru pe care acesta o poate


5

strbate. Problema modelrii cinematice este n prezent rezolvat pentru structurile mecanice obinuite ale roboilor industriali, existnd algoritmi convenabili att pentru o analiz off-line, ct i pentru includerea n sistemul de comand al roboilor i folosirea on-line.

2. Modelarea dinamic se ocup de gsirea setului de ecuaii de micare, innd seama de forele/momentele ce produc micarea i de cele de interaciune cu mediul. Setul de ecuaii respectiv formeaz aa zisul model dinamic al robotului. Acesta este important pentru sistemul de comand al robotului, pentru gsirea comenzilor ctre elementele de acionare ale articulaiilor i pentru a putea simula prin programe, fcnd apel la modelul dinamic, micarea robotului. De asemenea, modelul dinamic poate fi util n evaluarea structurii mecanice a robotului. Modelul dinamic are un grad de complexitate mai mare dect modelul cinematic, existnd n prezent algoritmi de calcul bazai pe legile mecanicii teoretice.

3. Planificarea traiectoriei roboilor se refer la determinarea formei de variaie n timp a poziiei robotului, sau mai precis a poziiei anumitor elemente ale sale, n aa fel nct s se ndeplineasc sarcina prescris, cu respectarea restriciilor impuse de mediul de lucru (de exemplu, restricia cea mai obinuit, aceea a evitrii coliziunilor). Planificarea traiectoriei este o prim etap n rezolvarea unei sarcini robotizate, urmat de stabilirea comenzilor ctre elementele motoare, comenzi care trebuie s determine obinerea traiectoriei planificate. Ca rezolvare frecvent, curba reprezentnd traseul pe care trebuie s se deplaseze un element al robotului va fi aproximat printr-o funcie polinomial n variabila timp, ce va constitui informaia de intrare pentru subsistemul ce controleaz articulaia micnd elementul respectiv. Dei principial este vorba despre probleme similare, planificarea traiectoriei are aspecte i rezolvri diferite la roboii industriali aa

Robotic

Mecanic

Electrotehnic

Electronic

Automatic Programare

Inteligen artificial

Arhitecturi de calcul

Sisteme de fabricaie asistat de calculator

Fig. 1.1. Conexiunile roboticii ca tiin interdisciplinar

Domeniul Roboticii

6

numii staionari (cei care au o baz fix), i respectiv roboii mobili, adic aceia care se deplaseaz folosind un vehicul sau un sistem de locomoie. n acest al doilea caz problema este mai complicat, presupunnd un model al mediului i informaii senzoriale care s permit corectarea traiectoriei n cazul unui mediu variabil, dei pentru medii structurate exist i soluii simple, obinute de exemplu pe baza unor ci de ghidare fixe.

4. Sistemul senzorial al roboilor este capitolul n care se studiaz dispozitivele prin care s se capteze informaii att n legtur cu mediul robotului ct i cu privire la starea robotului. Apare astfel o mprire a acestui capitol i respectiv a senzorilor folosii n robotic n dou categorii: senzori externi i interni. Primii sunt cei prin care robotul determin informaii cu privire la mediul n care acioneaz, aici incluzndu-se senzorii de contact sau de proximitate prin care roboii industriali actuali detecteaz poziia n care elementul terminal a ajuns n apropierea obiectului de manipulat, sau sistemele senzoriale mai sofisticate, mergnd de la senzori cu ultrasunete, cu laser i pn la camere video, care echipeaz roboii mobili lucrnd n medii parial sau total necunoscute, n scopul determinrii obstacolelor. Senzorii interni sunt cei care capteaz informaii despre starea robotului, aici incluzndu-se cei care dau poziiile i vitezele articulaiilor. Chiar dac senzorii folosii pe roboi pot fi adesea de uz general, astfel c pot fi regsii i pe alte echipamente, includerea acestui capitol n domeniul roboticii este necesar, deoarece n construcia i utilizarea unui robot care trebuie s fie adaptabil la schimbrile din mediu sistemul senzorial este strict necesar; n plus, folosirea senzorilor n robotic ridic i probleme specifice roboii sunt echipamente n micare i cu grad sporit de autonomie, la care sistemul senzorial trebuie s asigure informaiile necesare la toate nivelele sistemului de comand al robotului.

5. Controlul roboilor este capitolul care studiaz structura i funcionarea sistemului de comand al roboilor, fiind implicate elemente din toate celelalte capitole. Pe baza modelului cinematic i dinamic, a sarcinii de ndeplinit convertit n traiectoria de urmat se stabilesc comenzile necesare spre elementele de acionare i elementele hardware i software care s furnizeze aceste comenzi, folosind i semnalele de reacie obinute de la sistemul senzorial. Rezult astfel complexitatea sistemului de control al unui robot. Acesta va avea frecvent o organizare ierarhic, n care pe nivelul superior se afl partea de decizie cu privire la aciunea de ntreprins (la roboii industriali actuali pe acest nivel se efectueaz teste simple, de exemplu cele cuprinse n instruciuni de tip if then), iar pe nivelul inferior elementele de control i acionare ale articulaiilor. Dac funcia de decizie este adesea simplificat, controlul unei micri va presupune trecerea prin cele dou faze menionate anterior: planificarea traiectoriei i stabilirea comenzilor spre


7

articulaii pentru realizarea acesteia. Aceste comenzi vor trebui s in seama i de performanele dorite pentru robot, aici intervenind modelul dinamic al robotului. Structura tipic a sistemului de control va conine un calculator pe nivelul superior i un sistem cu unul sau mai multe microcontrolere comandnd elementele de acionare din articulaii.

6. Programarea roboilor este capitolul care concretizeaz felul n care poate fi materializat caracteristica de flexibilitate n utilizare. Dac lum cazul roboilor industriali, atunci acetia trebuie s poat fi programai pentru a ndeplini diferite sarcini n cadrul procesului tehnologic n care sunt nglobai. i la celelalte tipuri de aplicaii robotizate este necesar programarea robotului astfel nct acesta, executnd programul, s fie capabil s preia datele caracteriznd sarcina de rezolvat i s o ndeplineasc printr-o secven corespunztoare de aciuni. Acest capitol se ocup de caracteristicile limbajelor de programare folosite pentru roboi i de structura sistemului de programare, care trebuie s asigure i o comunicaie eficient cu utilizatorul robotului. Conform celor menionate anterior, programarea roboilor prezint asemnri i deosebiri fa de programarea calculatoarelor. Se folosesc aceleai principii pentru controlul execuiei programului i pentru preluarea/transmiterea datelor. Deosebirea esenial este aceea c la un robot trebuie programate micri. n consecin, fie se folosesc instruciuni specializate prin care s se specifice o anumit micare a robotului, fie se realizeaz o aa zis programare prin nvare, n care mai nti robotul este condus n diferite poziii sau pe anumite traiectorii i acestea sunt memorate, pentru a forma programul de reprodus de ctre robot. Adesea cele dou variante, numite programare textual i respectiv programare prin nvare, pot fi combinate. Programarea roboilor este n prezent sub influena unor elemente ale inteligenei artificiale, finalitatea urmrit fiind aceea n care programul introdus de utilizator va putea fi sub forma scopurilor pe care trebuie s le ndeplineasc robotul; prin metodele inteligenei artificiale, robotul (sistemul su de programare i control) trebuie s ajung la gsirea aciunilor de efectuat pentru atingerea scopurilor primite.

1.3. Istoricul Roboticii

Cuvntul robot a fost pentru prima dat folosit de scriitorul ceh Karel Capek, n anul 1921, n piesa de teatru avnd titlul n limba englez: R. U. R. Rossumts Universal Robots [Fu, 87], [Mur, 00]. Etimologia cuvntului este legat de aceea a cuvntului robota munc n limba ceh (exist i n limba romn varianta a roboti), i de cea a cuvntului rob, n sensul c robotul a fost vzut de la nceput ca

Domeniul Roboticii

8

un servitor al omului. Lucrarea scriitorului ceh a influenat viziunea asupra roboilor acetia trebuiau s fie nite maini avnd o nfiare apropiat de aceea a omului, care s-l nlocuiasc pe acesta n activiti obositoare, de rutin, existnd ns i pericolul ca mainile respective, ajunse la un anumit grad de inteligen, s se rscoale mpotriva creatorilor, aa cum se sfrete piesa de teatru menionat. Astfel se poate explica de ce mai trziu Isaac Asimov a considerat necesar precizarea unor legi ale eticii roboilor, dei dezvoltarea de pn acum a domeniului nu a creat nc problemele imaginate de cei doi scriitori. Este de observat c una din ideile care apare n piesa autorului ceh a fost urmat de productorii roboilor industriali chiar dac s-a plecat de la copierea omului, n realizarea unui robot se poate renuna la acele caracteristici umane care sunt prea puin utile n rezolvarea sarcinilor de ctre roboi (forma roboilor industriali actuali nu este una antropomorfic).

Premergtoare roboilor propriu-zii, au existat nc din antichitate mecanisme care se micau datorit unor energii interne, fiind controlate de sisteme de comand proprii statuile mecanice articulate din Egiptul antic, statuile i figurinele mecanice puse n micare de fora apei n China i Grecia antic, sau figurinele mobile ale orologiilor din evul mediu [Cr, 86]. Apariia robotului propriu-zis, ntr-o form apropiat de aceea a roboilor industriali actuali, este legat de condiiile create dup cel de-al doilea rzboi mondial. Astfel, la apariia i extinderea folosirii roboilor au contribuit [Dud, 89], [Fu, 87], [Dav, 86], [Sto, 05] :

trecerea de la fabricaia produselor n serii mari cu ajutorul mainilor

automate specializate, la fabricaia seriilor medii i mici, devenind numeroase i importante operaiile de manipulare a pieselor, subansamblelor i dispozitivelor tehnologice specializate (de vopsire, sudur); aceste operaii, numite secundare, au putut fi i ele automatizate prin introducerea roboilor;

progresele din domeniul mecanicii privind proiectarea i realizarea unor mecanisme articulate, cu mai multe grade de libertate;

progresele din domeniul conducerii cu calculator a mainilor unelte i n general a conducerii proceselor de fabricaie.

Sistemele de tip telemanipulator au aprut naintea roboilor propriu-zii. nc din anul 1947 a fost construit un asemenea sistem cu acionare electric. Cel care este considerat primul realizator de roboi industriali este inventatorul american George Devol. Acesta a fost influenat de un fenomen al anilor 1950 [Dud, 89], [Fu, 87]: accelerarea uzurii morale a mainilor unelte i numrul mare de muncitori implicai n munca de deservire a acestor maini. n consecin, Devol a


9

dorit s realizeze o main universal, capabil s efectueze un numr mare de operaii secundare, repetitive i care s nu fie la fel de sensibil ca i celelalte echipamente industriale la fenomenul de uzur moral, adic s nu devin inutilizabil atunci cnd procesul tehnologic se schimb. Astfel, n anul 1954 Devol a nregistrat sub numele de main programabil pentru transferul obiectelor primul brevet considerat a fi un robot industrial. Era vorba despre un sistem de manipulare a crui funcionare putea fi programat i astfel schimbat, i care putea realiza o secven de micri determinat prin instruciunile de program.

n anul 1958 George Devol i Joseph Engelberger au pus bazele firmei Unimation Inc., aceasta fiind prima companie productoare de roboi industriali. Datorit cercetrilor acestora, un an mai trziu este lansat primul robot industrial, iar n anul 1961 primul robot UNIMATE (UNIversal autoMATE) este instalat ntr-o aplicaie industrial, pentru alimentarea unei maini de turnare. Dac crearea primilor roboi industriali a fost n SUA, expansiunea lor s-a datorat i Japoniei. nceputul din acest punct de vedere poate fi considerat anul 1968, cnd compania japonez Kawasaki Heavy Industries a cumprat o licen Unimation pentru a realiza roboi industriali [Reh, 00]. n anul 1971 se nfiineaz i o asociaie (Japanese Industrial Robot Association JIRA) dedicat promovrii roboilor n industria japonez.

Din punct de vedere al cercetrii tiinifice n robotic, unele probleme i-au gsit rezolvare i rezultatele au fost deja folosite n aplicaii curente, n timp ce altele sunt nc probleme deschise. Astfel, nc din anii 1955 1956 au fost cercetate teoretic structurile mecanice ale roboilor industriali, J. Denavit i R. S. Hartenberg introducnd un sistem de notaii mpreun cu o variant de calcul matriceal; formalismul propus de ei avea s permit ulterior modelarea roboilor industriali. Din acest punct de vedere sunt de remarcat i cercetrile lui Pieper care n anul 1968 a propus o metod ce a completat varianta de modelare dezvoltat de Denavit i Hartenberg. n acest fel, n anul 1970 a putut fi realizat i studiat complet (cinematic i dinamic) robotul cu 6 grade de libertate de tip Stanford (dup numele universitii unde a fost creat) [Fu, 87]. n acelai an i firma Unimation a introdus un robot industrial cu 6 grade de libertate; ulterior, asemenea roboi au devenit cei mai rspndii.

Exemplul tipic de robot industrial cu 6 grade de libertate este robotul PUMA (denumirea provine de la Programmable Universal Machine for Assembly) realizat n anul 1978 de ctre firma Unimation. Din punct de vedere al rspndirii roboilor industriali n Europa, un rol important l-a avut firma ASEA Brown Boveri Robotics Inc. (ABB) din Suedia, care ncepnd din anul 1977 a nceput s comercializeze roboi industriali cu acionare electric i sistem de comand bazat

Domeniul Roboticii

10

pe calculatoare de uz industrial [Reh, 00]. n prezent, cele mai mari companii productoare de roboi industriali sunt: Fanuc Robotics Corporation, Motoman, Seiko, Panasonic Factory Automation, Kawasaki, toate localizate n Japonia, ABB, Reis Robotics din Germania i Adept Technology din SUA; companiile din domeniul produciei auto sunt nc cei mai importani utilizatori ai roboilor industriali [Reh, 00], [Sto, 05].

Pe de alt parte au existat i cercetri urmrind creterea abilitilor roboilor astfel nct acetia s-i gseasc utilitatea i n afara sferei industriale. n acest sens una din primele chestiuni cercetate a fost aceea a diferitelor bucle de reacie senzoriale. nc din anul 1962 H. A. Ernst a fcut experimente cu un bra controlat de un calculator dotat cu senzori tactili. Este apoi de amintit anul 1968, cnd la laboratorul Stanford a fost construit i testat robotul Shakey, ca unul din primii roboi care, prin dotarea senzorial (camer video, microfoane) i programele care l echipau, putea avea o comportare adaptabil ntr-un mediu de lucru parial cunoscut [Fu, 87]. n prezent sunt active mai multe domenii de cercetare viznd obinerea roboilor inteligeni, printre care se pot enumera sistemele multi-robot i cele bazate pe vedere artificial, cu aplicabilitate de exemplu n domeniul proceselor tehnologice de asamblare, roboii mobili dotai cu sisteme de locomoie i senzoriale complexe, care rezolv navigarea pe baza unor tehnici ale inteligenei artificiale, avnd aplicabilitate variat, de la domeniul militar la cel casnic.

1.4. Clasificarea roboilor Exist mai multe criterii de clasificare a roboilor; acestea sunt importante

pentru utilizatori, deoarece tipurile diferite de roboi au aplicabilitate diferit i cunoaterea acestora poate ghida alegerea robotului cel mai potrivit. Astfel, n funcie de modul de utilizare exist roboi tehnologici sau productivi care particip direct n procesul tehnologic, realiznd operaii de sudur, vopsire, etc. i roboi manipulatori, numii i ridictori-transportori (n limba englez pick and place), acetia fiind cei folosii n operaii auxiliare, n industrie cel mai adesea n deservirea mainilor unelte. Cerinele impuse acestei ultime categorii au crescut mult odat cu integrarea roboilor n sistemele flexibile de fabricaie.

Exist mai multe tipuri de roboi dup configuraia structurii mecanice. Astfel, roboii n coordonate carteziene sunt cei ale cror articulaii realizeaz micri de translaie, un exemplu n acest sens fiind robotul din fig. 1.2. Acesta are 3 posibiliti de micare (3 grade de libertate) determinate de 3 articulaii realizate prin cuple cinematice de translaie. n consecin, zona n care se poate afla


11

elementul terminal al robotului (aa numitul efector, adesea un apuctor) are forma unui cub sau paralelipiped; zona respectiv este un parametru important al roboilor industriali, numit spaiul de lucru. Adesea roboii n coordonate carteziene au

sistemul de acionare de tip pneumatic, deoarece aceast variant poate materializa uor o micare de translaie.

Exist unele avantaje i respectiv dezavantaje ale acestor roboi; n funcie de acestea i de aplicaia de rezolvat se va decide alegerea lor. Avantajele sunt:

spaiul de lucru poate fi de

dimensiuni mari, fiind uor de realizat deplasrile liniare ample;

sistemele de control pentru aceti roboi pot fi simple i necostisitoare.

Ca dezavantaj este de menionat faptul c spaiul ocupat de robot este mai mare dect n cazul altor configuraii mecanice, fiind dificil de inclus n zone de lucru aglomerate. Roboii n coordonate carteziene i-au gsit aplicabilitate n asamblarea unor produse de dimensiuni mici (de exemplu n montarea pieselor pe plcile de circuite imprimate) i n operaii de manipulare.

Roboii n coordonate cilindrice sunt cei la care poziionarea efectorului este determinat de dou micri de translaie efectuate pe direcii perpendiculare i o micare de rotaie (vezi fig. 1.3). n consecin spaiul de lucru al robotului va avea forma unui cilindru. Avantajele acestei variante constructive sunt:

structura vertical a robotului

determin o integrare mai eficient n zona de lucru n comparaie cu roboii n coordonate carteziene, la care axele de micare pot incomoda aezarea altor echipamente n vecintatea robotului;

se poate asigura o structur mecanic rigid, care s conduc la o capacitate

Fig. 1.2. Robot n coordonate carteziene

Fig. 1.3. Robot n coordonate cilindrice

Domeniul Roboticii

12

de sarcin mai mare dect la roboii cartezieni; capacitatea de sarcin este o caracteristic important a unui robot industrial care precizeaz greutatea sau masa maxim pe care o poate deplasa robotul.

n comparaia cu roboii n coordonate carteziene cei n coordonate cilindrice sunt dezavantajai de un spaiu de lucru mai mic, mai ales atunci cnd restriciile mecanice determin limite restrnse pentru axa de rotaie. Operaiile de manipulare, cum ar fi de exemplu deservirea mai multor maini unelte aezate pe un arc de cerc n spaiul de lucru al robotului, reprezint una din aplicaiile cele mai rspndite pentru roboii n coordonate cilindrice.

Roboii n coordonate sferice, numii i roboi n coordonate polare se obin printr-o succesiune format din dou axe de rotaie i una de translaie, aa cum este ilustrat n fig. 1.4. n acest caz spaiul de lucru va apare ca o poriune cuprins ntre dou sfere concentrice, avnd razele delimitate de limitele micrii de translaie, iar micrile de rotaie fixeaz zonele laterale i cele n plan vertical la care poate ajunge efectorul robotului; un exemplu n acest sens este dat n fig. 1.5, n care spaiul de lucru al robotului este marcat prin haurare. Avantajele i

Fig. 1.4. Robot n coordonate sferice

Fig. 1.5. Spaiul de lucru al unui robot n coordonate sferice


13

dezavantajele acestor roboi sunt asemntoare cu cele ale roboilor n coordonate cilindrice, singura deosebire fa de acetia fiind aceea c roboii n coordonate sferice ocup o zon mai restrns pe vertical.

Este de remarcat faptul c la roboii

n coordonate sferice cele dou axe de rotaie au direciile de micare perpendiculare. Mai exist o variant de structur mecanic, folosind tot o succesiune de dou axe de rotaie i una de translaie, dar la care direciile axelor de rotaie sunt paralele (vezi fig. 1.6); roboii cu aceast configuraie mecanic sunt cunoscui sub numele de roboi de tip SCARA (abreviere de la denumirea n

limba englez: Selective Compliance Articulated Robot Arm). Explicarea noiunii de complian care apare n denumirea acestor roboi va fi dat n paragraful 1.5. Spaiul de lucru al unui asemenea robot este de form cilindric i deplasarea pe vertical asigurat de axa de translaie face un robot SCARA potrivit mai ales pentru operaii de asamblare care presupun o inserare pe vertical a mai multor componente. Este de menionat c fa de situaia din fig. 1.6 n care axa de translaie este ultima (este cea legat la efector) pot exista variaii, astfel c axa de translaie poate apare n prima sau a doua poziie de la baza fix a robotului.

Cel de-al patrulea tip de configuraie a structurii mecanice este acela al roboilor de revoluie, numii i roboi cu articulaii de rotaie (sau prescurtat

roboi articulai), deoarece toate gradele de libertate sunt date de micri de rotaie (vezi fig. 1.7). La un asemenea robot spaiul de lucru are o form neregulat, avnd frontiera delimitat n funcie de limitele constructive ale axelor de micare; n fig. 1.8 este prezentat un exemplu de spaiul de lucru al unui asemenea robot. Avantajele acestei categorii de roboi sunt:

ocup un volum redus n acea

poziie a axelor n care acestea devin aproape suprapuse, avnd totui un raport convenabil ntre dimensiunea robotului i

Fig. 1.6. Robotul de tip SCARA

Fig. 1.7. Robot de revolu ie

Domeniul Roboticii

14

distan maxim la care poate ajunge efectorul fa de baza robotului, datorit felului n care segmentele ce compun robotul se pot aeza n prelungire;

avnd numai articulaii de rotaie, sistemul de acionare cu motoare rotative este uor de implementat la asemenea roboi, motoarele electrice fiind frecvent folosite; de aici decurge i obinerea unor micri de precizie deosebit pentru aceti roboi, prin aplicarea unor metode de control avansate, specifice acionrilor electrice;

abilitatea mai bun dect la alte configuraii de a permite lucrul prin cooperare ntre doi roboi ntr-un spaiu comun.

Folosirea exclusiv a articulaiilor de rotaie creeaz ns i un dezavantaj la

roboii de revoluie, anume acela c obinerea unei deplasri pe un segment de dreapt a efectorului robotului implic o coordonare a micrilor tuturor celor trei axe, ceea ce presupune un sistem de control avansat.

Clasificarea din punct de vedere al configuraiei structurii mecanice s-a fcut lundu-se n considerare numai primele 3 grade de libertate ale robotului, cele prin care se obine poziionarea efectorului. n aplicaiile industriale cel mai frecvent sunt folosii n prezent roboi avnd 6 grade de libertate, din motive ce vor fi explicate ulterior, astfel c o structur mecanic tipic este aceea din fig. 1.9. Este vorba despre un robot pe care, conform clasificrii anterioare, l ncadrm n categoria roboilor de revoluie i la care ultimele trei axe, tot de rotaie, determin orientarea efectorului. Este o situaie tipic, n sensul c majoritatea roboilor vor

Fig. 1.8. Un exemplu de spaiu de lucru pentru un robot de revoluie


15

avea pentru asigurarea orientrii efectorului dou sau trei axe de rotaie, realizate constructiv ct mai compact, n apropierea efectorului. n fig. 1.9 structura robotului apare fr efector, acesta urmnd a fi ataat de utilizator, conform specificului aplicaiei.

O alt clasificare a roboilor

se face n funcie de posibilitile de micare. Astfel, cei mai muli roboi industriali actuali sunt

numii i roboi staionari, n sensul c au o baza fix, plasat de exemplu pe podea. Aa sunt toi roboii pentru care anterior au fost prezentate diferitele tipuri de configuraii ale structurii mecanice, n construcia respectiv baza fix fiind legat printr-o articulaie de primul segment mobil al robotului. Un asemenea robot nlocuiete funciile pe care operatorul le-ar executa cu ajutorul braelor, astfel c se folosete pentru un robot staionar i denumirea de bra robot.

Cea de-a doua categorie dup aceast clasificare este cea a roboilor deplasabili sau mobili. n acest caz robotul nglobeaz un vehicul pe care este montat structura mecanic de manipulare (braul robot). Evident, principalul avantaj al roboilor mobili este acela c spaiul de lucru se extinde prin posibilitatea de micare pe care o determin vehiculul. Acesta este cel mai frecvent cu acionare electric i complicaia care apare este aceea a controlului micrii vehiculului. Pentru aplicaiile industriale se folosesc adesea modaliti simple de navigare, cu trasee predefinite pentru robotul mobil, realizate prin cabluri ngropate n planeu sau benzi metalice lipite pe podea, care genereaz cmpuri electromagnetice de joas frecvena, ghidnd vehiculul prevzut cu senzori inductivi. Se folosesc de asemenea i procedee optice de ghidare, cnd este vorba despre benzi vopsite pe podea i senzori optici montai pe robot. Frecvent la asemenea roboi mobili funcia de manipulare este simplificat, braul robot avnd puine grade de libertate. Asemenea sisteme utilizate pentru transportul unor piese, materiale, de la o secie de producie la alta se ntlnesc i sub numele de AGV (din limba englez Automated Guided Vehicle) [Mur, 00]. Acestea, n comparaie cu structurile clasice industriale de transport (sistemele de tip conveior), pot asigura o flexibilitate sporit, necesitnd ns metode de control adecvate. Exist i varianta n care

Fig. 1.9. Structur mecanic tipic pentru un robot cu 6 gdl

axa 1

axa 3

axa 4

axa 5

axa 6axa 2

Domeniul Roboticii

16

pentru a crete spaiul de lucru al unui robot de tip staionar baza acestuia nu mai este fixat, ci este plasat pe o cale de ghidare realizat cu ine i role sau pe un sistem de tip enile. Este ca i cum robotului i se mai asigur un grad de libertate suplimentar (o ax de micare n plus).

Roboii mobili au lrgit sfera de aplicabilitate a roboticii, ei trecnd de la mediul industrial la domenii precum protecia mediului, agricultur, construcii, aplicaii casnice. De asemenea, roboi mobili evoluai sunt folosii n explorarea spaiului cosmic i a celui acvatic. Din punct de vedere al clasificrii fcute la definirea noiunii de robot (vezi paragraful 1.1), unii din aceti roboi se pot ncadra n categoria sistemelor de tip telemanipulator, deoarece nu execut un program n mod autonom, ci doar micrile comandate, printr-un sistem adecvat de transmisie, de ctre operatorul care i dirijeaz n mod continuu.

O alt clasificare are n vedere modul de aezare a robotului n mediul su de

lucru. Astfel, exist roboi n montare normal, acetia fiind cei care au baza la cei de tip staionar, sau calea de rulare la cei de tip mobil, pe podea. Exemple de roboi n montare normal sunt cei din fig. 1.2 1.7. Cea de-a doua categorie n aceast clasificare este cea a roboilor n montare inversat (vezi fig. 1.10). La acetia baza robotului este aezat deasupra spaiului de lucru, ea fiind sau fixat de tavan, sau montat pe un cadru (numit i portal) prevzut cu o cale de rulare cu ine, asigurnd n acest ultim caz micarea de translaie a bazei robotului deasupra spaiului de lucru i creterea acestuia; asemenea roboi se numesc roboi de tip portal, folosindu-se i termenul din limba

englez, anume roboi de tip gantry. Este ca i cum ntr-o hal industrial locul unui pod rulant care are puine posibiliti de manipulare este luat de un robot gantry.

n funcie de tipul sistemului de acionare folosit pentru micarea robotului

exist roboi cu acionare hidraulic, pneumatic, electric i mixt. Fr a intra n detalii, roboii hidraulici sunt dotai cu un rezervor al fluidului de lucru, de obicei acesta fiind uleiul, o pomp i elementele de acionare propriu-zise, ce determin micarea liniar sau de rotaie a segmentelor robotului. Avantajul acestui sistem de acionare este acela al raportului mare ntre puterea pe care o poate dezvolta robotul i dimensiunea sa. n consecin, roboii cu acionare hidraulic sunt cei care pot ajunge la capaciti de sarcin mari. Acest aspect favorabil este nsoit de mai multe

Fig.1.10. Robotul de tip gantry


17

dezavantaje: poluarea determinat de pierderile de ulei, pericolul de explozie n cazul folosirii n aplicaii de sudur, nivelul mai mare de zgomot n comparaie cu acionarea electric, necesitatea echipamentelor suplimentare privind asigurarea alimentrii circuitului hidraulic.

Roboii cu acionare pneumatic sunt asemntori din punct de vedere al principiului acionarii cu cazul anterior, deosebirea fiind aceea c n locul uleiului apare ca fluid de lucru un gaz sub presiune, de obicei aerul. Avantajele roboilor cu acionare pneumatic sunt:

preul roboilor pneumatici datorit simplitii prii de acionare i

control este frecvent mai mic dect al celorlalte tipuri de roboi; pierderile fluidului de lucru nu contamineaz mediul; se obin viteze mari de operare.

Ca dezavantaj important al acionrii pneumatice este acela c nu se pot

folosi metode evoluate de control al micrii. n cazul acionrii pneumatice limitele axelor robotului vor fi prefixate prin sisteme mecanice de oprire a micrilor, fiind rar folosite sisteme de control n bucl nchis. Pentru c aerul este compresibil obinerea unei poziionri de precizie i n mod repetat, aa cum este frecvent necesar n ciclul de lucru al roboilor industriali, nu este posibil cu acest sistem de acionare. n consecin, apare dezavantajul unei reduceri a flexibilitii n utilizare, punctele pe care le poate atinge efectorul robotului fiind numai cele care rezult conform elementelor mecanice de oprire plasate pe axele de micare; acestea sunt uneori reglabile pentru a diminua acest neajuns.

Roboii cu acionare electric au devenit cei mai rspndii, odat cu creterea performanelor motoarelor electrice i obinerea unor capaciti de sarcin comparabile cu cele ale roboilor acionai hidraulic. Se folosesc sisteme de acionare cu motoare de curent continuu sau alternativ, acestea din urm fiind tot mai rspndite, mpreun cu sisteme de control performante, care folosind i traductoare de poziie adecvate determin printr-un control n bucl nchis avantajul unei poziionri de precizie; de asemenea, pentru acionarea electric este posibil i o reglare adecvat a vitezei n timpul deplasrii robotului. Pentru capaciti de sarcin mici se folosesc i motoare pas cu pas. Din punct de vedere al cuplrii motorului la structura mecanic a robotului exist dou variante: cuplarea motorului printr-un sistem de reducere a turaiei i respectiv cuplarea direct, caz n care deplasarea motorului devine deplasare unghiular a segmentului robotului acionat de motorul respectiv. Dac micarea elementului robotului trebuie s fie

Domeniul Roboticii

18

una liniar, atunci cuplarea motorului se va face printr-un sistem adecvat de transformare a micrii.

Pe lng avantajul deja menionat al preciziei micrii, acionarea electric, n comparaie cu variantele anterioare, nu mai necesit alt surs de energie n afar de cea electric, este nepoluant, asigur viteze de deplasare mari, cu nivele de zgomot reduse.

n concluzie, dac se urmresc micri de precizie cu un control al traiectoriei, roboii acionai electric vor fi de preferat, cei pneumatici, prin costul redus, se vor impune n aplicaii puin pretenioase, iar cei hidraulici pot determin capaciti de sarcin mari. Se folosesc i roboi cu acionare mixt, un caz frecvent fiind acela al acionrii electrice pentru toate micrile, mai puin acionarea efectorului, care dac este un apuctor se prefer s fie cu acionarea pneumatic, fiind vorba despre o nchidere/deschidere efectuat ntotdeauna la limite prefixate.

O alt clasificare se poate face n funcie de metoda de control al robotului,

existnd n acest sens trei variante. Prima categorie se refer la roboii de tip telemanipulator, adic aceia care nu au o funcionare autonom, ci doar reproduc la distan i eventual amplificate din punct de vedere al forei dezvoltate, micrile operatorului care i conduce n mod nemijlocit (vezi i paragraful 1.1). Dac la primii roboi ncadrai n aceast categorie sistemul de comand era cvasi inexistent, fiind vorba doar de sisteme mecanice de transmitere a micrii, n prezent i la aceast categorie se pune problema unei ci de reacie, care s permit operatorului s perceap fora de manipulare, sau a unor sisteme de comunicaie avansate, care fac s nu mai existe un contact mecanic propriu-zis ntre partea manevrat de operator i partea de execuie.

Trecnd la roboii autonomi, roboii cu funcionare n bucl deschis (sau de tip non-servo) sunt cei la care nu exist nici o informaie de reacie n timpul micrii robotului, nici asupra poziiei i nici a vitezei sau acceleraiei. Aceasta nseamn c sistemul de comand al robotului calculeaz deplasarea necesar, eventual profilul traiectoriei i profilul de variaie a vitezei pentru axele de micare ale robotului i apoi acestea sunt comandate, fr a exista nici o corecie n timpul execuiei. Rezult c este vorba despre sisteme care se bazeaz pe precizia execuiei comenzilor de ctre partea de acionare. Exemple de asemenea roboi sunt cei acionai cu motoare pas cu pas, la care deplasarea de efectuat de ctre fiecare ax a robotului este convertit, innd seama de eventualele elemente ale transmisiei micrii, ntr-un numr ntreg de pai, care sunt comandai spre execuie. Evident poziia final a robotului poate fi afectat de erori dac se produc pierderi de pai, sau datorit imperfeciunilor prii mecanice (de exemplu, jocul n angrenaje). i


19

roboii pneumatici cu deplasare la limite prefixate mecanic pot fi ncadrai n aceast categorie, cu meniunea c n cazul lor exist un semnal de reacie la capetele de curs ale axelor. Dac aplicaia nu cere un control al traiectoriei robotului, iar precizia de poziionare obinut printr-un sistem n bucl deschis este suficient, atunci un robot din categoria respectiv poate fi folosit, cu avantajele care decurg din simplitatea sistemului su de control: pre redus, fiabilitate ridicat, folosirea drept sistem de comand a unui automat programabil, care are de obicei o structur deschis, uor de ntreinut.

Un robot cu funcionare n bucl nchis este unul la care exist una sau mai multe bucle de reacie, sistemul de comand primind informaii cu privire la poziia, eventual viteza i acceleraia diferitelor segmente ce compun robotul. n acest sens este necesar ca robotul s fie dotat cu senzori adecvai; se folosesc traductoare de poziie (optice de tip incremental, resolvere), traductoare de vitez (tahogeneratoare). Avantajele care se obin pentru aceast clas de roboi sunt:

precizia de poziionare mai mare fa de cazul funcionrii n bucl

deschis; posibilitatea deplasrii robotului n orice punct al spaiului de lucru,

ceea ce nseamn o flexibilitate mrit n utilizare fa de cazul anterior, avantaj completat i de faptul c roboii respectivi au faciliti sporite de programabilitate, sistemul lor de control incluznd aproape ntotdeauna un calculator;

obinerii unor traiectorii de deplasare precise.

innd seama de caracteristicile mai sus menionate, roboii cu funcionare n bucl nchis se impun n operaii de sudur, vopsire, asamblare, adic acolo unde este necesar un control al traiectoriei efectorului.

O clasificare care trebuie neleas mpreun cu cea anterioar este aceea n

funcie de modul de realizare a micrii robotului. Astfel, cei mai simpli roboi din acest punct de vedere sunt roboii cu secven fix (pe scurt, roboi secveniali). Exemplu tipic pentru aceast categorie este cel al roboilor cu acionare pneumatic, deplasndu-se ntre puncte prefixate, reprezentate de obicei de capetele de curs ale axelor. Conform celor spuse i anterior, este de remarcat pe de o parte faptul c la aceast categorie nu exist un control al traiectoriei parcurse de robot ntre punctele de oprire, iar pe de alt parte programul robotului, adic informaiile care trebuie memorate de sistemul de control, este format dintr-o succesiune de perechi coninnd numele axelor de micare i starea 1/0 (acionat/neacionat) a acestora.

Domeniul Roboticii

20

Este evident c sistemul de comand al unui asemenea robot poate fi realizat cu un automat programabil.

A doua categorie este cea a roboilor de tip punct cu punct, la care programul const de asemenea dintr-o succesiune de puncte pe care efectorul robotului trebuie s le strbat, dar de data aceasta nu mai este vorba despre puncte prefixate, ci ele pot fi puncte oarecare din spaiul de lucru al robotului. n consecin, n memoria sistemului de comand al robotului vor fi memorate informaii corespunztoare: poziiile tuturor axelor care determin situarea efectorului n punctul dorit sau poziia i orientarea efectorului n fiecare punct al ciclului de lucru. n acest ultim caz, sistemul de comand al robotului trebuie s calculeze poziiile axelor din situarea memorat a efectorului, acestea fiind necesare deoarece ele determin comenzile spre elementele de acionare ale articulaiilor robotului.

Este clar c la roboii de tip punct cu punct, fa de cazul roboilor secveniali, informaiile pe care le va conine programul robotului sunt mai complexe. Fr a intra n detalii, aceste informaii pot fi furnizate n dou moduri, n funcie de felul n care este programat robotul. Astfel, n cazul programrii prin nvare (termenul n limba englez este teach and play-back) exist o faz de nvare n care operatorul mic robotul n punctele ce trebuie s constituie programul de lucru i informaiile cu privire la poziiile axelor robotului sunt memorate atunci cnd robotul a fost adus ntr-un asemenea punct, conform unei comenzi explicite primite de la operator. Conducerea robotului n punctele de lucru i comenzile de memorare sunt realizate printr-o interfa adecvat, operatorul avnd la dispoziie o consol de programare a robotului, numit teach pendant. Parcurgerea fazei de nvare presupune ca robotul, prin echiparea cu senzori, s fie folosit ca un sistem de msur n sensul c exist elementele care s furnizeze poziiile axelor atunci cnd operatorul a adus robotul ntr-un punct dorit.

Cea de-a doua modalitate de furnizare a informaiilor cu privire la punctele programului de lucru este cea a programrii textuale, cnd operatorul scrie un program, ntr-un limbaj de programare specific robotului respectiv, preciznd n instruciunile programului poziiile axelor sau informaiile de poziie i orientare ale efectorului, pentru fiecare punct pe care trebuie s-l strbat robotul. Indiferent de varianta prin care au fost furnizate informaiile cu privire la punctele de atins de ctre robot, ceea ce este caracteristic unui robot de tip punct cu punct este faptul c traiectoria ntre punctele ciclului de lucru nu este controlat; aceasta nseamn c robotul este condus pe o traiectorie n faza de nvare ntre dou puncte de lucru i se deplaseaz prin cele dou puncte, dar putnd trece cu efectorul pe alt traiectorie n faza de execuie, dup cum n mai multe repetri ale programului de lucru deplasarea ntre cele dou puncte se poate face pe traiectorii diferite.


21

Roboii cei mai evoluai conform acestei clasificri sunt cei cu comanda continu a traiectoriei. La fel ca n cazul anterior este necesar stabilirea unor puncte prin care trebuie s treac efectorul robotului, puncte care s fie determinate prin nvare sau ca valori nscrise de ctre operator n program. Deosebirea apare n ceea ce privete traiectoria pe care o strbate efectorul ntre punctele semnificative ale deplasrii, aceasta nemaifiind arbitrar, ci una controlat de sistemul de comand al robotului. Exist dou variante pentru principiul de funcionare a roboilor cu comanda continu a traiectoriei. Prima se refer la prefixarea traiectoriei prin program. Astfel, se poate ca sistemul de control i instruciunile limbajului de programare a robotului s permit stabilirea de ctre programator a unei anumite forme a traiectoriei efectorului ntre dou puncte ale ciclului de lucru; variantele cele mai frecvente sunt cele n care se pot prescrie traiectorii sub form de segment de dreapt sau arc de cerc. Cu excepia cazurilor banale (de exemplu, robotul este de tip cartezian i deplasarea ntre cele dou puncte presupune modificarea unei singure coordonate), sistemul de comand al robotului va trebui s coreleze momentele de start i vitezele diferitelor axe, astfel nct s se obin forma dorit a traiectoriei.

Cea de-a dou modalitate pentru obinerea comenzii continue a traiectoriei este aceea de nvare a traiectoriei. Este vorba despre o programare prin nvare conform celor descrise anterior, dar la care, spre deosebire de cazul roboilor de tip punct cu punct, se memoreaz nu numai cteva puncte semnificative la momente comandate de operator, ci ntreaga traiectorie pe care operatorul mic robotul. n fapt sistemul de control preia, cu o perioad de eantionare de ordinul a 100 ms, de la senzorii de pe robot poziiile axelor n timpul micrii robotului n faza de nvare. n cea de execuie, traiectoria nvat este reprodus prin interpolare, astfel c dac perioada de eantionare este suficient de mic nu vor exista diferene semnificative ntre traiectoria nvat i cea executat. Este clar c fa de cazul programrii prin nvare al unui robot de tip punct cu punct, la cei cu comanda continu a traiectoriei deosebirea este aceea a numrului de puncte nvate. Roboii din aceast ultim categorie sunt utili de exemplu n operaii de vopsire, cnd robotul este nvat s se deplaseze pe o anumit traiectorie copiind ndemnarea operatorului n realizarea operaiei respective.

O alt clasificare se poate face dup metoda de programare a roboilor.

Conform acestui criteriu, exist aa numiii roboi cu programare cablat, la care iniial programul rezulta n funcie de structura hardware a circuitului secvenial ce constituia sistemul de control al robotului. Era vorba, conform clasificrii anterioare, numai de roboi cu secven fix, care executau un ciclu de lucru

Domeniul Roboticii

22

determinat prin schema cablat a circuitului secvenial folosit. Flexibilitatea n utilizare era redus i ea este n prezent crescut pentru roboii ncadrai n aceast categorie prin folosirea drept sistem de control a unui automat programabil. A doua categorie este aceea a roboilor cu programare prin nvare, la care, conform celor explicate i anterior, exist o faz de nvare, cu cele dou variante, n care operatorul programator mic robotul fie n poziiile sau pe traiectoria dorit. Faza de nvare este urmat de cea de execuie, n care robotul repet un ciclu de lucru n care intervin elementele memorate la nvare. Ultima categorie n aceast clasificare este cea a roboilor cu programare textual, cnd micrile i aciunile robotului rezult n urma unui program nscris de ctre operatorul programator n memoria sistemului de control al robotului, ceea ce nseamn c n acest caz exist un text program, de unde denumirea categoriei.

Dup tipul interaciunii senzoriale exist n prezent dou categorii de roboi.

Astfel, roboii mai puin evoluai sunt cei cu detectare binar, cnd sistemul de control al robotului primete informaii cu privire la strile unor elemente binare de pe robot sau din mediul de lucru al acestuia (poate fi vorba de limitatoare de curs sau senzori cu ieire binar), ceea ce permite stabilirea momentelor de terminare a micrilor, sincronizarea cu procese externe prin schimbarea adecvat a secvenelor de program memorate. Roboii mai evoluai sunt cei cu detectare adaptiv, cnd robotul poate aciona, spre deosebire de cazul anterior, n medii parial sau total necunoscute, datorit interaciunii senzoriale complexe i continue cu mediul. n acest caz sistemul senzorial al robotului conine camere de luat vederi, senzori cu ultrasunete, senzori tactili, etc.

Completnd aceast clasificare menionm c, fr a fi strict respectate n

mediul industrial sau n cercetare, exist i o serie de standarde n privina diferitelor categorii de roboi. Astfel, standardul ISO/TR/8373 mparte roboii n patru categorii, dup cum urmeaz [Reh, 00]:

roboi cu teleoperare, incluznd cazul telemanipulatoarelor; roboi secveniali, corespunznd roboilor cu secven fix de la

clasificarea n funcie de modul de realizare a micrii robotului; roboi cu micare pe traiectorie controlat, incluznd cazul comenzii

continue a traiectoriei, fiind vorba despre roboi cu funcionare n bucl nchis, cel mai frecvent cu acionare electric i mai rar hidraulic;

roboi adaptivi, incluznd cazul deteciei adaptive, cnd pe lng partea senzorial evoluat, exist sisteme de control bazate pe inteligen artificial;


23

roboii din aceast categorie sunt nc n faza de cercetare, fiind vorba despre roboi inteligeni, conform definiiei date n paragraful 1.1.

Este de menionat c roboii actuali posed caracteristici din mai multe

categorii conform clasificrilor din punct de vedere al controlului i programrii. De exemplu, roboii industriali produi de firma ABB [Reh, 00], [ABB, 00] pot fi programai s funcioneze att ca roboi punct cu punct, ct i cu comanda continu a traiectoriei (pot descrie traiectorii liniare sau circulare ntre punctele semnificative ale deplasrii), dup cum pot fi programai att prin nvare, ct i n varianta programrii textuale.

1.5. Caracteristici ale roboilor; criterii de selecie Pentru decizia de alegere a unui robot ntr-o anumit aplicaie exist o serie

de caracteristici, permind comparaia roboilor; n acest sens se va ine seama i de clasificarea roboilor fcut n paragraful anterior. O caracteristic important pentru flexibilitatea robotului, definitorie pentru structura sa mecanic, este numrul gradelor de libertate (prescurtat gdl). Acesta reprezint numrul de micri independente pe care le poate realiza efectorul robotului, dat de numrul axelor de micare. Dac robotul are drept efector un apuctor, nchiderea i deschiderea acestuia nu este considerat un grad de liberate.

Un parametru de caracterizare deja definit n paragraful anterior este spaiul de lucru. Urmrind exemplele date la clasificarea roboilor dup configuraia structurii mecanice, rezult c spaiul de lucru depinde de numrul gradelor de libertate, de dimensiunile segmentelor robotului (aa sunt numite corpurile ce sunt conectate prin articulaii, compunnd robotul), i de limitele constructive ale deplasrilor articulaiilor (de exemplu, frecvent axele de rotaie se pot deplasa ntr-un interval mai mic de 360). Alturi de aceast caracteristic, sunt importante pentru utilizator deplasrile maxime realizabile de axele robotului, precum i valoarea maxim a coordonatei n plan orizontal la care poate ajunge efectorul robotului sau deprtarea maxim fa de baz la care poate ajunge elementul terminal; aceast valoare este ntlnit n cataloagele roboilor ca un parametru de caracterizare, cu numele distan maxim de lucru (n limba englez reach).

Precizia de poziionare este dat de abaterea poziiei punctului caracteristic la execuie fa de valoarea prescris. Punctul caracteristic este un punct semnificativ de pe efectorul robotului; frecvent acesta este la captul apuctorului, acolo unde acesta intr n contact cu obiectul de manipulat, atunci cnd un apuctor

Domeniul Roboticii

24

este folosit ca efector al robotului, sau este fixat la mijlocul zonei n care efectorul este prins de restul structurii mecanice a robotului, atunci cnd robotul nu are nc ataat un efector. n literatura de limb englez se folosete pentru acest punct caracteristic denumirea de TCP (Tool Center Point). Precizia de poziionare se refer la situaia n care robotul este de tipul cu programare textual, n programul su este prescris o anume poziie n care trebuie s ajung punctul caracteristic i la execuia programului apare o abatere ntre poziia prescris i cea n care ajunge n fapt punctul caracteristic.

O caracteristic important din punct de vedere al preciziei execuiei sarcinilor de ctre un robot industrial este repetabilitatea. Ea reprezint abilitatea robotului de a realiza n mod repetat aceeai poziie. Numeric, att repetabilitatea ct i precizia de poziionare se exprim n mm. Repetabilitatea se poate determina la un robot de tipul cu programare prin nvare msurnd diferena care apare ntre poziia n care a fost plasat punctul caracteristic n faza de nvare i cea n care ajunge la execuie, sau, indiferent de metoda de programare, msurnd diferena care apare la deplasarea repetat a punctului caracteristic ntr-o aceeai poziie, comandat n mod repetat, conform programului robotului. De exemplu, s presupunem c programul unui robot comand deplasarea punctului caracteristic n poziia P dat de coordonatele carteziene: xc = 100 mm, yc = 100 mm, zc = 500 mm, ce sunt msurate fa de un reper de referin. Deplasarea n poziia P apare de 2 ori n cadrul ciclului de lucru al robotului i la cele 2 treceri prin P se msoar urmtoarele valori ale coordonatelor punctului caracteristic:

x1 = 100,05 mm; y1 = 100 mm; z1 = 500 mm x2 = 100,03 mm; y2 = 100,04 mm; z2 = 500 mm

Dac se folosete standardul ANSI/RIA R15.05-1 al Asociaiei americane a

productorilor de roboi industriali (RIA Robotic Industries Association) vor trebui aplicate urmtoarele formule pentru precizia de poziionare medie ( pp )i respectiv repetabilitate (R):

=

++=n

iczizcyiycxixn

pp1

222 )()()(1

)()()( 2221

;1 zizyiyxixaanR i

n

ii ++==

=


25

===

===n

ii

n

ii

n

ii zn

zyn

yxn

x111

1;1;1

unde n este numrul de experimente efectuate, xi, yi, zi sunt coordonatele realizate la experimentul i, iar xc, yc, zc sunt coordonatele comandate. n relaiile de calcul ale repetabilitii R apar zyx ,, care reprezint valorile medii, pentru cele n experimente, ale coordonatelor realizate pentru poziionarea repetat conform unui acelai punct comandat, iar ai reprezint eroarea de poziionare n experimentul i fa de punctul avnd drept coordonate valorile medii. Introducnd valorile numerice ale exemplului considerat se obin rezultatele: pp = 0,05 mm, R 0,022 mm.

Evident determinarea preciziei de poziionare i a repetabilitii va presupune efectuarea unui numr mai mare de experimente i n mai multe puncte, dar ntotdeauna repetabilitatea roboilor este de cteva ori mai bun dect precizia de poziionare. Aceasta se explic prin aceea c precizia de poziionare este dependent de erorile sistemului de control, de toleranele pieselor folosite la construirea robotului, de precizia construciei i de jocurile din angrenaje, n timp ce repetabilitatea depinde numai de jocurile angrenajelor.

Privind capacitatea de micare a unui robot se mai definete rezoluia, ca fiind cel mai mic increment de deplasare ce poate fi realizat de robot. Acest parametru este condiionat de structura mecanic i de sistemul de control al robotului.

Capacitatea de sarcin precizeaz pentru un robot greutatea (sau masa) pe care acesta o poate transporta n ntreg spaiul de lucru, cu pstrarea performanelor de precizie de poziionare, repetabilitate i vitez. Cum productorii livreaz roboii fr efector, aceast caracteristic se refer la greutatea pe care o poate transporta structura mecanic i de acionare respectiv, astfel c n situaia n care un utilizator va folosi un apuctor, va trebui s ia considerare suma dintre greutatea apuctorului i cea a obiectului de manipulat, care nu trebuie s depeasc capacitatea de sarcin a robotului.

Pentru a caracteriza rapiditatea cu care un robot poate executa o sarcin se folosesc parametri precum vitezele diferitelor axe (exprimate dup cum este cazul ca viteze liniare sau unghiulare) i viteza punctului caracteristic. Pentru ilustrare n tabelul urmtor sunt precizate caracteristicile pentru civa roboi industriali realizai de firma ABB [ABB, 00]; se observ c mai apar ca parametri de caracterizare greutatea robotului i respectiv a sistemului su de comand, ca i

Domeniul Roboticii

26

unele specificaii pentru consola de programare i interfaa cu care este dotat sistemul de control al robotului.

Tab. 1.1. Caracteristici pentru civa roboi ABB

Tip robot IRB 1400 IRB 2400 IRB 4400 Capacitate de sarcin

5 kg 7 kg 30 kg

Nr. gdl 6 6 6 Repetabilitate 0,05 mm 0,06 mm 0,1 mm Vitez maxim (pentru TCP)

2,1 m/s 2,1 m/s 2,2 m/s

Distan maxim de lucru

1,44 m 1,8 m 2,43 m

Greutate robot/sistem control

225 kg / 240kg 380 kg / 240 kg 940 kg / 240 kg

Caracteristici consol programare

Portabil, joystick i tastatur, display 16 linii x 40 caractere

La fel ca la IRB 1400

La fel ca la IRB 1400

Caracteristici interfa

Intrri/ieiri numerice (pn la 512) i analogice (pn la 120), 4 canale seriale



Domenii de aplicabilitate

Sudur, asamblare, deservire maini unelte, transfer materiale, debavurare, lipire

Sudur, asamblare, deservire maini unelte, transfer materiale, debavurare, lipire, paletizare, vopsire

Deservire maini unelte, transfer materiale, debavurare, paletizare, lefuire

Din tabel rezult performanele actuale ale roboilor industriali, fiind

obinuite viteze pentru deplasarea efectorului robotului mai mari de 2 m/s atunci


27

cnd acesta este ncrcat cu o sarcin de cteva kg, asigurnd i o repetabilitate mai bun de 0,1 mm.

Fr a exista un algoritm precis de selecie, atunci cnd se pune problema

introducerii unui robot ntr-un sistem de fabricaie, caracteristicile enumerate mai sus pot constitui criterii de selecie. Astfel, spaiul de lucru, numrul gradelor de libertate i configuraia structurii mecanice sunt elemente de alegere importante, care se coreleaz cu organizarea zonei unde va fi amplasat robotul i elementele pe care acesta le va deservi. Precizia de poziionare, rezoluia i repetabilitatea pot fi cerine definitorii, impuse de tehnolog atunci cnd robotul este folosit ntr-o operaie de asamblare. Din punct de vedere al interaciunii mecanice ntre robot i obiectele din mediul su de lucru, o caracteristic luat uneori n considerare este aceea a complianei. Aceasta poate fi explicat pe cazul unui robot destinat asamblrii, referindu-se la relaia care apare ntre obiectele implicate n procesul respectiv, innd seama de erorile n poziionare i de toleranele pieselor [Reh, 00], [Dud, 89]. De exemplu, n cazul n care robotul, n procesul de asamblare, trebuie s introduc o pies n locaul prevzut n alt pies, va fi imposibil de realizat ntotdeauna o aliniere perfect ntre apuctorul robotului care conine una din piese i locaul respectiv. n consecin compliana, pe care o determin att robotul ct i piesele de asamblat i elementele de fixare ale acestora, va asigura sau nu rezolvarea unei asemenea situaii. Exemplul de robot folosit cu succes n operaii de asamblare i care asigur o complian sporit este robotul de tip SCARA. La acesta compliana este obinut prin configuraia structurii mecanice i prin modul de realizare a apuctorului.

Capacitatea de sarcin trebuie avut n vedere mpreun cu tipul i greutatea efectorului i a obiectelor ce urmeaz s fie manevrate de robot. Eventual, procesul tehnologic poate impune necesitatea folosirii mai multor elemente efectoare pe acelai robot. Elementele de interfaare pe care le ofer sistemul de control al robotului, mpreun cu modalitile de programare posibile sunt de luat n considerare n funcie de modul n care robotul trebuie s se integreze n sistemul de fabricaie. Mai menionm c n cataloage apare frecvent o indicaie a productorului asupra domeniilor de folosire a fiecrui tip de robot (vezi i tab. 1.1), ceea ce poate de asemenea ghida selecia.

n afar de aceste elemente, costul robotului mpreun cu celelalte aspecte economice ale amortizrii investiiei sunt de luat n considerare. n plus, n prezent se pune frecvent problema realizrii unor celule sau sisteme flexibile de fabricaie, conform conceptelor fabricaiei asistate de calculator (termenul folosit este cel de CIM, din limba englez Computer Integrated Manufacturing) [Reh, 00],

Domeniul Roboticii

28

[Reh, 01], [Pan, 01]. ntr-o asemenea situaie se proiecteaz, realizeaz i/sau achiziioneaz toate echipamentele care s rezolve specificaiile de fabricaie, ctigul important fiind acela al modului n care compatibilitatea i integrarea ntre toate elementele implicate sunt rezolvate de la nceput, aspectele respective devenind mai dificile n cazul unei automatizri i robotizri n etape.

Ca i criteriu de comparaie ntre roboii industriali se pot folosi i o serie de

parametri globali, definii dup cum urmeaz [Isp, 90]:

(N)serviciudeGreutatea)(mlucru de Spatiul

1k3

= ; (N)serviciudeGreutatea(N)sarcin de aCapacitate

2k =

)( epozitionar de Preciziax(N)serviciudeGreutatea(N)sarcin de aCapacitatex)(mlucru de Spatiul

3k3

m= n relaiile anterioare greutatea de serviciu reprezint greutatea robotului n

condiii normale de funcionare, ceea ce presupune de exemplu i greutatea fluidului de lucru la un robot cu acionare hidraulic. Este evident c un robot este cu att mai bun cu ct parametrii de mai sus au valori mai mari.

1.6. Noiunea de sistem robotic Un robot, prin arhitectura sa hardware i software i prin conexiunile multiple

pe care le are cu alte echipamente n cazul aplicaiilor industriale, dar i n general cu mediul de lucru i utilizatorul, este un sistem complex, astfel c se folosete adesea noiunea de sistem robotic [Reh, 00], [Iva, 94], [Pan, 95], [Ben, 85]. Exist n acest sens o definiie a RIA conform creia un sistem robotic cuprinde unul sau mai muli roboi, cu elementele lor hardware i software, constnd din partea mecanic asigurnd posibilitile de micare (braul manipulator la roboii industriali tipici), sistemul de control (inclusiv sistemul software), efectorul i sursa de energie, dar i celelalte echipamente cu care roboii sunt interfaai i lucreaz mpreun pentru a ndeplini scopul de lucru, ct i elementele senzoriale i de comunicaie care asigur funcionarea roboilor i celorlalte echipamente. Se poate remarca faptul c definiia este una general, cuprinznd o mare varietate de situaii n care roboi mpreun cu alte echipamente rezolv un anumit scop. Elementul care poate face distinct un asemenea sistem, determinnd ntr-un proces tehnologic sau o


29

alt aplicaie acele componente care trebuie s fac parte din acelai sistem robotic, este scopul comun pe care acestea l au de rezolvat. Aceasta este o abordare care conduce att spre principiile folosite n sistemele de fabricaie de tip CIM, ct i spre metodele folosite n inteligena artificial, unde se pune problema ca roboii s-i determine aciunile de ndeplinit n funcie de scopul avut n lucru [Pan, 94], [Pan, 95], [Pan, 03].

n fig. 1.11 este prezentat o schem principial a unui robot industrial ca i component principal a unui sistem robotic, fr a fi incluse toate celelalte echipamente cu care robotul este interconectat i coopereaz. Componentele tipice ale unui robot industrial sunt: structura mecanic formnd un bra manipulator, la care este ataat un efector, sursa de energie i sistemul de control interconectat cu o consol de programare i o interfa ce permite conectarea la sistemul informatic al

Fig. 1.11. Arhitectura principial a unui sistem robotic

Sistem control robot

Consol programare

Bra manipulator

Surs energie (electric, pneumatic, hidraulic)

Efector

Interfa robot

Ethernet Ieiri numerice i analogice

Comand conveior, u main unealt, etc.

Intrri numerice i analogice

Senzori, stare main unealt, etc.

Ieiri seriale

Comand numeric

Reea local

Domeniul Roboticii

30

sistemului robotic. Cel mai frecvent roboii sunt elementele fundamentale ale unui sistem robotic, astfel c noiunile robot sistem robotic sunt adesea folosite n mod echivalent.

Partea mecanic a unui robot industrial este constituit din braul manipulator i efector, n cazul roboilor de tip staionar, la cei mobili adugndu-se i vehiculul. Braul robotului este format din succesiunea de corpuri numite segmente ale robotului, interconectate prin intermediul articulaiilor, acestea avnd i rolul de realizare a micrii robotului. Conform structurii tipice din fig. 1.9, articulaiilor robotului le corespund axe de micare; n funcie de tipul articulaiei i al modului de transmisie a micrii de la articulaie la segmentele robotului, rezult micri de rotaie sau translaie pentru segmentele robotului. Micrile sunt obinute prin intermediul elementelor de acionare (motoare), care pot fi cuplate direct cu axele de micare atunci cnd sunt aezate n articulaii, sau prin intermediul unor sisteme de transmisie a micrii (sisteme cu roi dinate, curele, etc).

Conform clasificrii fcute n paragraful 1.4 exist mai multe tipuri de acionri i corespunztor acestora va trebui ca robotul s fie dotat cu surse de energie corespunztoare, care s asigure aportul energetic i pentru efector i respectiv sistemul de control al robotului. Exist cteva aspecte definitorii pentru braul robotului, deja precizate n paragrafele anterioare: montarea normal, respectiv inversat, pe o baz fix sau pe un vehicul. Se poate face o mprire a braului n dou subsisteme, primul fiind format din segmentele i articulaiile aflate nspre baza robotului, care realizeaz poziionarea efectorului (de aici denumirea de subsistem de poziionare), iar cel de-al doilea cuprinznd segmentele i articulaiile aflate nspre efector, care determin orientarea acestuia (ele formeaz subsistemul de orientare); aceast mprire se poate urmri pe robotul din fig. 1.9, unde trebuie neles c ultimele segmente au dimensiuni reduse n comparaie cu primele segmente ale robotului.

Efectorul robotului este elementul prin care acesta interacioneaz cu mediul, n interiorul spaiului de lucru. Att braul robotului, dar mai ales efectorul trebuie s fie ales n funcie de scopul de ndeplinit de ctre robot. n consecin, acesta poate fi un apuctor (se folosete i denumirea de element de prehensiune, sau cea din limba englez gripper), sau un dispozitiv pentru efectuarea sudurii, vopsirii, etc. Chiar i n cazul celui mai simplu efector, se va putea pune n eviden un corp propriu-zis al efectorului, avnd o structur mecanic adecvat funciei de ndeplinit, unul sau mai multe elemente de acionare i eventual unul sau mai muli senzori care s determine regimurile limit ale operaiei realizate [Iva, 94]. Efectorul este un element cheie n asigurarea flexibilitii n utilizare necesar pentru un robot, astfel c exist o mare varietate de soluii constructive care s


31

permit robotului ndeplinirea a ct mai multe sarcini [Iva, 94], [Pal, 89], [Sha, 87]. n aceeai idee, pot fi situaii n care robotul este dotat cu o structur mecanic i de control adecvat, astfel nct el este capabil s-i schimbe efectorul n timpul ciclului de lucru.

Sistemul de control al unui robot trebuie s ndeplineasc mai multe funcii:

controlul micrii robotului n timpul operrii acestuia, facilitarea programrii robotului atunci cnd este necesar modificarea operrii, comunicarea cu celelalte echipamente ale sistemului robotic i cu operatorul. Fr a exista vreo standardizare n domeniul arhitecturilor sistemelor de control ale roboilor, frecvent este vorba despre sisteme de tip multiprocesor, n care unul sau mai multe procesoare (microcontrolere) sunt dedicate controlului elementelor de acionare ale axelor robotului, n timp ce altele rezolv interfaarea i programarea robotului. Partea de memorie a sistemului de control asigur pstrarea programului robotului, adesea memoria volatil fiind alimentat i de la baterii, pentru ca dup o cdere de tensiune robotul s poat relua programul cu intervenii minime ale operatorului.

Ca i n general n cazul calculatoarelor de uz industrial, este important partea de interfaare, trebuind s fie satisfcute cerinele integrrii ntr-un sistem de fabricaie asistat de calculator. Astfel (vezi fig. 1.11), sistemul de control trebuie s poat asigura legtura cu echipamentele lucrnd mpreun cu robotul prin intrri/ieiri paralele, analogice i numerice, i pe linii seriale, fiind frecvente cazurile cnd se comand prin programul rulnd pe sistemul de control al robotului viteza de deplasare a unui sistem de transport de tip conveior, sau pornirea/oprirea unei maini unelte. Senzorii ataai pe robot sau n mediul de lucru vor fi conectai frecvent pe intrri numerice i/sau analogice. De asemenea, trebuie s existe i posibilitatea legrii sistemului robotic la reeaua de calculatoare a sistemului de fabricaie.

Exist o mare variabilitate i n ceea ce privete consola de programare a unui robot. Frecvent ea conine o tastatur i un display i este legat de sistemul de control printr-un cablu suficient de lung, facilitnd astfel desfurarea fazei de nvare, n cazul programrii prin nvare a robotului. Se obine o flexibilitate sporit atunci cnd programul robotului poate fi realizat att pe consola de programare, ct i pe orice alt calculator extern. Programul realizat de utilizatorul sistemului, rulnd pe sistemul de control al robotului, reprezint sursa de informaie; aceast component a sistemului robotic nu a fost reprezentat explicit n fig. 1.11, fiind considerat inclus n partea software a sistemului de control. Trebuie subliniat c fr existena acesteia operarea sistemului nu este posibil [Iva, 94].

Domeniul Roboticii

32

Alimentarea sistemului de control, a consolei de programare, ct i a elementelor de acionare de pe braul manipulator i de pe efector, presupune ca robotul s fie cuplat cu surse adecvate de energie, n primul rnd electrice, iar n funcie de partea de acionare, i pneumatice sau hidraulice.

1.7. Domenii de aplicare a roboilor

Din punct de vedere al aplicabilitii Roboticii, domeniul cel mai important este n continuare acela al industriei. Pentru roboii industriali principalele tipuri de aplicaii sunt: manipulare, deservire a mainilor unelte, asamblare, sudur, vopsire, turntorie/forj. Folosirea roboilor n aplicaii de manipulare a pieselor pentru transferul acestora ntre diferite echipamente sau pentru rezolvarea anumitor faze ale procesului tehnologic, frecvent fiind vorba despre deservirea mainilor unelte, formeaz un gen de aplicaii bazate pe precizia de poziionare i viteza de lucru a roboilor industriali. Din acest punct de vedere, prelucrarea pe maini unelte presupune n mod obinuit cicluri de lucru de ordinul zecilor de secunde sau minutelor, astfel c la vitezele actuale ale roboilor, acetia pot deservi de la cteva maini unelte pn la 10 15 asemenea echipamente. Problema care se pune pentru a putea ajunge la un numr ct mai mare de maini deservite este aceea a spaiului de lucru al robotului, care este restrns n comparaie cu zona n care pot fi amplasate elementele procesului tehnologic pe care acesta ar trebui s le deserveasc; o posibilitate n acest sens este montarea bazei robotului pe o ax suplimentar, permind o micare de translaie a braului manipulator. Aa cum s-a menionat n paragraful 1.4, folosirea roboilor de tip gantry este de asemenea o variant determinnd creterea spaiului de lucru, i de aici posibilitatea deservirii unui numr mare de echipamente de ctre un acelai robot. Folosirea unor sisteme de transport de tip conveior este de asemenea o soluie folosit frecvent, permind transferul unor semifabricate ntre mai muli roboi industriali avnd spaii de lucru limitate. Mai este de menionat, ca un aspect specific acestui gen de aplicaii, necesitatea interfarii sistemului de control al robotului cu comenzile numerice ale mainilor unelte, astfel ca robotul s poat comanda diferitele programe de lucru, realiznd sincronizrile necesare. Asamblarea este un caz de proces tehnologic dificil de automatizat. Utilizarea roboilor este posibil mai ales n situaia n care asamblarea a fost proiectat pentru varianta robotizat. Este vorba de asigurarea chiar din faza de proiectare a dispozitivelor de fixare/orientare a componentelor i a cerinelor de complian. O


33

abordare care poate simplifica aceste cerine este aceea a folosirii pentru roboii implicai n asamblare a unor sisteme senzoriale de tip vedere artificial [Reh, 00]. O alegere trebuie fcut i ntre folosirea roboilor i respectiv a mainilor automate de asamblare; roboii sunt de preferat atunci cnd este vorba de loturi de fabricaie mici, cu variaii ale dimensiunilor pieselor, cazuri mai dificil de rezolvat cu o main de asamblat. Desigur, o comparaie se poate face i cu asamblarea manual, aspectele care pot conduce la preferarea roboilor fiind cele valabile n general pentru aplicarea industrial a acestora: creterea productivitii i a calitii, eliberarea operatorului de activiti repetitive, obositoare. Operaiile de sudur, n special n industria automobilelor, reprezint o situaie tipic n care roboii industriali au nlocuit operatorii desfurnd o munc repetitiv, n condiii dificile i conducnd totodat la un timp de lucru mai mic i la o calitate superioar. n acest sens intervin performanele roboilor actuali privind viteza de lucru, precizia de poziionare i repetabilitatea. Pentru realizarea traiectoriilor complexe presupuse de operaiile de sudur se impune ca roboii folosii s poat fi programai att prin nvare ct i textual, iar sistemul de control s poat realiza o comand continu a traiectoriei. innd seama de aceste specificaii ale prii de acionare i control, ca i de faptul c pentru roboii implicai n sudur nu este necesar o capacitate de sarcin prea mare, roboii cu acionare electric sunt folosii aproape n exclusivitate n acest caz. Cerine asemntoare apar n cazul operaiilor de vopsire, n care, spre deosebire de cazul manipulrii, este adesea puin important precizia de realizare a punctelor extreme ale traiectoriei (de exemplu, acestea pot fi n afara zonei n care se face vopsirea), fiind n schimb definitorie pentru procesul tehnologic respectiv precizia de realizare a unei anumite traiectorii de micare. n consecin, metoda de programare n acest caz este exclusiv aceea prin nvare (robotul este nvat traiectoria pe care ar face-o operatorul conducnd pistolul de vopsire) i se mai impune ca structura mecanic s asigure un spaiu de lucru suficient de mare i roboii s aib gradul de protecie necesar pentru a putea lucra ntr-un mediu cu pericol de explozie. Folosirea roboilor industriali n aplicaii de turntorie, forj, n deservirea preselor valorific posibilitile de lucru n medii ostile, capacitatea de sarcin mare ce se poate obine pentru roboii cu acionare hidraulic, iar din punct de vedere al programrii i traiectoriilor de realizat este vorba de condiii similare sau mai simple ca acelea din cazul deservirii mainilor unelte. Ca echipare, roboii trebuie s fie dotai cu apuctoare care s reziste la temperaturile ce apar n procesele respective, fiind posibil i includerea n ciclul de lucru al robotului a unei faze de rcire a sistemului de prehensiune. Creterea posibilitilor de interfaare, a

Domeniul Roboticii

34

flexibilitii n programare, a preciziei i vitezei permit n prezent folosirea roboilor n majoritatea proceselor tehnologice, fiind citate i sistemele de paletizare robotizate, aplicaiile de debavurare, tratamente termice, acoperiri metalice i nemetalice, industria sticlei [Eng, 80], [Coj, 85]. n prezent capt extindere att folosirea roboilor n noi zone ale industriei, ct i aplicarea neindustrial a acestora [Coo, 91], [Jor, 91], [She, 93], [Vir, 99], [Mur, 00]. Domenii citate n acest sens sunt: industria nuclear, alimentar, petrochimic, construcii civile i navale, agricultur, medicin, turism, divertisment, aplicaii militare, cercetarea spaiului marin, extraterestru i chiar n aplicaii casnice, de exemplu n deservirea persoanelor cu handicap. Roboii vor cpta noi sarcini, ca: operaii de inspecie i mentenan n medii periculoase sau dificil accesibile (centrale nucleare, conducte, zone minate, perei v

pan dumb r final

Documents