1

SUBIECT 1. Structura sistemului “robot industrial integrat în

mediul tehnologic”. Subsisteme componente. Caracterizarea

generală a subsistemelor şi principii funcţionale generale.

1.1. STRUCTURA SISTEMULUI “ROBOT INDUSTRIAL INTEGRAT ÎN

MEDIUL TEHNOLOGIC”.

Referitor la conceptul sistemic unitar de “robot industrial integrat în mediul tehnologic” se consideră universal acceptată definirea structurii acestuia ca incluzând urmatoarele patru subsisteme majore:

SS1 = subsistemul structurii mecanice articulate a RI incluzand si echiparea tehnologca a RI (efectorul RI, sistemul de cuplare-decuplare a efectorului, sistemul de asigurare a compliantei efectorului etc.), echipată cu motoare de acţionare, senzori si traductoare ce furnizeaza informatii privind functionarea proprie a robotului. Acest subsistem este cunoscut, uzual si sub denumirea de “unitate operaţională a robotului“;

SS2 = subsistemul de conducere (programare si comanda) a robotului - denumit, uzual si "unitate informaţională" (de tip PLC - automat programabil, echipament de comandă numerică sau calculator industrial). Acest subsistem este cunoscut, uzual si sub denumirea de „controllerul RI”;

SS3 = subsistemul mediu tehnologic în care acţionează robotul industrial (incluzind maşini, utilaje, echipamente tehnologice, componente perirobotice si sisteme conexe, obiecte asupra carora actioneaza RI etc.).

SS4 = subsistemul de comunicare cu operatorul uman şi programare prin instruire a robotului (de tip tastatura / terminal de comanda prin instruire). Acest subsistem este cunoscut, uzual si sub denumirea de „teach-pendant”. Schema bloc ce permite evidenţierea acestor patru subsisteme şi a legăturilor

dintre ele este prezentată în fig.2.1. În fig.2.1. au fost reprezentate simbolic următoarele legături dintre subsisteme:

a - instructiuni de comandă transmise de catre unitatea informaţională unitatii operaţionale;

b - informaţii proprio-receptive, (privind modul de funcţionare proprie a unităţii operaţionale a robotului), provenind de la senzorii şi traductoarele cu care este echipat robotul;

c - informaţii extro-receptive, (privind modificarile ca apar in starea mediului tehnologic în care acţionează robotul industrial), furnizate de catre sisteme senzoriale suplimentare, ce nu fac parte din senzorii si traductoarele cu care este echipat RI;

Fig.2.1

2

d - instrucţiuni de programare a sistemului de conducere a robotului industrial sau, respectiv, de programare prin instruire a robotului prin învăţare directă ("TEACH - IN");

e - acţiunea RI asupra mediului tehnologic.

Utilizând denumirile consacrate ale acestor subsisteme şi reprezentarea simbolică a principalelor legături dintre acestea, în fig. 2.2 este ilustrată forma finală a conceptului sistemic de “RI integrat în mediul tehnologic”.

Fig.2.2

Pentru exemplificarea concretă a modului în care unitatea operaţională şi cea informaţională a unui RI formează un ansamblu unitar ce constituie robotul industrial propriu-zis, în fig.2.3 este prezentat un robot industrial de tip brat articulat şi ansamblul sistemelor de conducere a acestuia / comunicare cu operatorul uman realizat de firma Siemens, iar in fig.2.4 se prezintă ansamblurile generale echivalente ale unor roboti de tip SCARA si respectiv portal dublu realizati de firma BOSCH-REXROTH.

Fig.2.3

3

Fig.2.4 Pentru exemplificarea conceptului de robot industrial integrat in mediul tehnologic in fig. 2.5 este prezentata o celula de fabricatie robotizata destinata realizarii operatiilor de sudare cu arc electric in cadrul careia au fost evidentiate principalele subsisteme componente susmentionate.

Fig.2.4

4

1.2 CARACTERIZAREA GENERALĂ A SUBSISTEMELOR

Subsistemul SS1 - constituie unitatea operationala a RI si include: structura mecanica a RI, echipata cu motoare de acţionare, senzori si traductoare şi respectiv echiparea tehnologica a RI. Structura mecanică a RI este prevăzută cu maxim 6 grade de libertate, dintre care trei sunt utilizate pentru poziţionarea / generarea traiectoriei efectorului şi trei pentru orientarea efectorului RI.

Cuplele de translatie / rotatie ce permit obţinerea celor 6 grade de libertate ale efectorului RI sunt numite şi “cuple majore active”, atunci când sunt prevazute cu motoare proprii de actionare. Cu excepţia unor cazuri speciale, fiecare lanţ cinematic ce permite obţinerea unui grad de libertate are câte un motor de acţionare propriu, gradele de libertate fiind caracterizate de variabile cinematice reciproc independente (“decuplate”).

Sistemele de acţionare a RI pot fi: - pneumatice – pentru sarcini manipulate de ordinul daN; - electrice – pentru sarcini de ordinul zecilor / sutelor de daN; - hidraulice – pentru sarcini de ordinul sutelor / miilor de daN.

Actual, cele mai răspândite şi, în acelasi timp, cele mai performante sisteme de acţionare sunt cele electrice, peste 85% din RI aflaţi în exploatare fiind echipaţi cu astfel de sisteme. Actionarile pneumatice se intalnesc la circa 10% din RI, iar cele hidraulice la doar circa 5% din RI aflati actual in exploatare.

Senzorii si traductoarele cu care este echipata unitatea operationala a RI sunt din categoria traductoarelor de pozitie si viteza a elementelor mobile ale RI si senzorilor cu care este prevazut efectorul RI, sau respectiv celelalte subsisteme care alaturi de efector formeaza echiparea tehnologica a RI.

In cadrul echiparii tehnologice a RI, elementul principal il constituie efectorul RI (ce poate fi din categoria sistem de prehensiune, scula cu antrenare proprie sau respectiv dispozitiv de lucru) acestuia putandu-i-se adauga de la caz la caz si alte subsisteme (subsistemul de cuplare-decuplare automata a efectorului, subsistemul de asigurare a compliantei efectorului etc.)

Subsistemul SS2 - de conducere (programare si comanda) a roboţilor industriali, denumit si „unitatea informationala a RI” este în general de tip automat programabil cu minicalculator integrat (PLC - programable logic controller) specializat pentru comanda RI / automatizarea proceselor electromecanice.

Principial PLC sunt sisteme de comanda similare calculatoarelor de tip PC dar spre deosebire de acestea sunt special concepute sa poata primi / transmite o gama larga de semnale de intrare / iesire prin diferite formate de interfete industriale, pot functiona in mediul industrial (intre limite largi de variatie a temperaturii / umiditatii mediului ambiant), sunt imune la perturbatii electromagnetice, au o rezistenta mare la vibratii si socuri si dispun de memorii non-volatile (cu sisteme de alimentare de back-up prin baterii) pentru stocarea programelor care realizeaza comanda masinilor / echipamentelor industriale.

Unitatea informationala a RI generează comenzile ce, în final, sunt traduse în mişcări sau acţiuni ale unităţii operaţionale a acestuia. Aceste comenzi sunt generate atât pe baza unor informaţii furnizate acestui subsistem anterior intrării în funcţiune a RI (instrucţiunile de programare textuala / prin instruire a RI), cât şi pe baza achiziţiei continue a unor informaţii obţinute ulterior intrării în funcţiune a RI (informaţiilor de tip proprio sau extro-receptive). Comenzile sunt elaborate pe baza unor strategii / algoritmi de conducere a RI ce includ: modelele geometrice, cinematice si dinamice direct si invers ale RI, cunoaşterea (definirea) stării iniţiale şi, respectiv, a stării finale în care trebuie adus mediul tehnologic precum şi a modului de desfăşurare a acţiunii robotului

5

asupra mediului. Deşi strategiile de conducere sunt proprii fiecărui tip de robot industrial şi tip de aplicaţie robotizată, ele pot fi, frecvent, implementate pe un acelaşi tip de sistem de conducere (unitatile informationale fiind în general concepute pentru a putea comanda mai multe variante constructive diferite de RI).

Subsistemul SS4. - de comunicare cu operatorul şi instruire a RI, permite selectarea, introducerea, rularea, executarea, schimbarea sau modificarea programului care trebuie incarcat in sistemul de conducere al RI (in unitatea informaţională a acestuia). Instrucţiunile de programare / învăţare pot fi, în totalitate, programate aprioric într-un limbaj accesibil minicalculatorului integrat în unitatea informaţională (pentru cazul programarii textuale a RI), pot fi completate pe măsura achiziţionării unor informaţii prioreceptive (parametrii geometrici / cinematici / dinamici) prin parcurgerea procedurilor specifice de programare prin învăţare / instruire a RI (teach-in) sau, respectiv pot fi incarcate in controllerul RI dupa elaborare in prealabil a unui program comlpet intr-un mediu de programare si simulare off-line a modului de functionare a RI.

Pentru exemplificarea posibilităţilor de programare a RI in continuare sunt prezentate succesiv:

- două sisteme ce permit programarea prin instruire a RI (teach-in) pe

principiul „lead-trough”, prin comanda directă a robotului de la o tastatură de

comandă (fig.2.6) sau respectiv de la un panou de comanda manuală a RI integrat sistemului de conducere a acestuia (fig.2.7);

Fig.2.6 Fig.2.7

- un sistem (fig.2.8) ce permite programarea prin instruire a RI (teach-in) pe

principiul „walk-trough”, in cadrul caruia comanda robotului este făcută prin

intermediul unei “patine de comandă” atasata la nivelul efectorului RI;

- un sistem (fig.2.9) ce permite programarea textuală a RI (utilizabil pentru comanda directa – on-line a RI) si respectiv

- un sistem (fig.2.10) ce permite programarea RI in regim de „programare şi

simulare off-line” utilizand software specializat pentru astfel de activitati.

6

Fig.2.8 Fig.2.9

Fig.2.10

Subsistemul SS3. - mediul tehnologic - într-o primă definire simplistă ar putea fi considerat ca delimitat de spaţiul de lucru baleiat de efectorul robotului în timpul execuţiei unui anumit program (dacă se consideră valorificarea integrală a curselor active pentru fiecare grad de libertate). Acest mediu tehnologic include, însă, în realitate şi alte subsisteme cu care RI interactioneaza / este interconditionat functional (echipamentele de proces tehnologic specific actiunii RI, maşini-unelte sau masini de lucru, utilaje tehnologice, componente perirobotice, obiecte manipulate sau asupra cărora se exercită acţiunea robotului), funcţionarea tuturor componentelor din mediu tehnologic fiind reciproc sincronizată şi, respectiv, controlată, preponderent, prin senzori / traductoare ce nu ţin de construcţia RI propriu-zis (senzori care transmit informaţii extro-receptive unităţii informaţionale a RI).

Caracterizarea SS3 presupune deci, implicit, definirea caracteristicilor geometrice (de gabarit), a celor constructiv-funcţionale şi respectiv, a dispunerii spaţiale particulare a tuturor maşinilor, utilajelor şi componentelor perirobotice precum şi a poziţiei şi orientării iniţiale şi finale, a formei şi dimensiunilor obiectelor asupra cărora urmează să se exercite acţiunea robotului (pentru obiectul manipulat, sudat, vopsit, etc.), a ciclurilor funcţionale proprii ale acestor componente şi, respectiv, a intercondiţionărilor ce apar între acestea pe parcursul exploatării întregului sistem tehnologic.

1

SUBIECT 2. Structura completa a subsistemului mecanic al RI. Aspecte particulare privind

modul de amplasare a RI si ordinea de dispunere a ansamblurilor componenente ale acestora

1

ASPECTE PARTICULARE PRIVIND CONCEPŢIA

SUBSISTEMULUI MECANIC AL RI

INFLUENŢA MODULUI DE AMPLASARE A UNUI RI (ÎN CADRUL APLICAŢIEI

ROBOTIZATE CE ÎL INTEGREAZĂ) ASUPRA FUNCŢIONALITĂŢII ŞI STRUCTURII

GENERALE A SUBSISTEMULUI MECANIC AL ACESTUIA Aşa cum s-a menţionat anterior, orice robot industrial trebuie privit ca integrat unui mediu tehnologic cu anumite caracteristici (particulare în raport cu procesele de producţie realizate în cadrul acestuia ). Din acest punct de vedere, în sinteza constructiv-funcţională a unui RI / selectarea optimala a unui model de RI ce urmeaza a fi integrat intr-o anumita aplicatie trebuie avute în vedere următoarele aspecte :

1) organizarea generală a fluxurilor tehnologice din cadrul sistemelor de producţie robotizate este influenţată în mod radical de :

- nivelul general de integrare a fabricaţiei (al fluxurilor de materiale / piese / scule şi portscule, cu fluxurile informaţionale) şi posibilităţile de interconectare a diferitelor sectoare de activitate (în care există sau nu sisteme de fabricaţie robotizata);

- arhitectura generală şi structura sistemelor de producţie robotizata, aceasta la rîndul ei fiind diferită, (în funcţie de programa de fabricaţie şi, respectiv, tipul produselor realizate), pentru :

* celulele flexibile de fabricaţie ( CFF ); * liniile flexibile de fabricaţie ( LFF ); * sistemele (complexe) flexibile de fabricaţie (SFF) rezultate din

interconectarea mai multor CFF şi LFF. - arhitectura generală, varianta constructivă, numărul şi modul de amplasare a RI

integraţi fiecarei unităţi de lucru robotizate; - tipul sistemelor de legătura dintre unităţile de lucru robotizate şi funcţiile

specifice ale acestora (alimentare / transport / transfer scule / piese) ce urmează a fi preluate de către RI sau, respectiv, alte sisteme tehnologice.

2) specificul operaţiilor de lucru realizate în cadrul fiecărei unităţi de lucru robotizate influenţează:

- concepţia particulară a efectorului cu care se echipează RI şi a sistemului de legătură dintre efector şi subsistemul de ghidare a acestuia. În acest sens, de la caz la caz, efectorul ce echipează RI poate fi:

- unic - pentru RI destinaţi realizării unei aceleiaşi categorii de operaţii pe toată durata lor de exploatare (ex. vopsire, sudare în puncte, etc.);

- interschimbabil cu alţi efectori - pentru RI destinaţi realizării mai multor tipuri de operaţii în cadrul unei aceleiaşi unităţi de lucru robotizate (ex.: montaj, prelucrări mecanice, etc.);

- structura unităţii de lucru robotizate, lucru ce presupune: - selectarea în afara masinilor, utilajelor, RI şi a unor componente

perirobotice ce preiau / extind o serie de funcţionalităţi ale RI (ex.: componente de orientare suplimentară a semifabricatelor pentru operaţii de sudare cu arc electric; magazine de efectori pentru diferite operaţii de montaj; sisteme de poziţionare a plăcilor cu circuite imprimate pe care RI montează componente electronice, etc.);

- selectarea numărului şi a modului de amplasare a RI şi, respectiv, de dispunere reciprocă a acestora în raport cu celelalte componente ale unităţii de lucru robotizate;

2

- selectarea arhitecturii generale a RI utilizaţi în cadrul acestor aplicaţii şi a caracteristicilor lor constructiv-funcţionale (forma spaţiului de lucru, numărul gradelor de libertate, tipul acţionării RI şi efectorilor cu care se echipează aceştia, etc.) corelativ cu tipul structurii portante pe care urmează a fi amplasaţi RI şi necesitatea sau nu a existenţei unor sisteme de deplasare la sol/pe structura portantă a acestora;

- modul de acţiune a RI în cadrul aplicaţiei robotizate , de acesta fiind dependente: - selectarea unui anumit sistem de comandă a RI; - selectarea unei anumite structuri mecanice articulate a RI (cu o supleţe şi o

dexteritate adecvată operaţiilor de realizat); - selectarea unor anumite componente perirobotice (comandate tot de către

sistemul de conducere a RI) cu funcţionalităţile sus menţionate; Ca urmare a celor prezentate mai sus , se pot desprinde următoarele concluzii

generale :

A.- modul de amplasare al unui RI în cadrul unei aplicaţiei robotizate este

dependent de un complex de factori de influenţă ce ţin cont atât de criteriile

generale de organizare a fluxurilor de fabricaţie din sistemele de producţie ,

cât şi de operaţiile de lucru ce se realizează de către RI în cadrul acestora;

B.- în selectarea modului de amplasare a RI în cadrul unei unităţi de lucru

robotizate o importanţă deosebită o are analiza detaliată a structurii acesteia,

a arhitecturii generale a RI şi, respectiv, a funcţionalităţii specifice a RI în

cadrul ei. Din acest punct de vedere un acelasi tip de RI se poate defini ca optim

amplasat, în cadrul unor aplicaţii robotizate diferite, în varianta de: - RI fixat la sol; - RI deplasabil la sol; - RI suspendat / ataşat într-un punct fix, pe o anumita structură portantă; - RI deplasabil pe o anumită structură portantă pe care este suspendat / ataşat.

Pentru ilustrarea modului de amplasare a RI în cadrul diferitelor aplicaţii robotizate s-a ales un RI cu arhitectura generală de tip turelă pentru care :

- în fig. 3.2 sunt prezentate schemele cinematice-structurale corespunzătoare amplasării robotului:

* fixat la sol - fig. 3.2 a ; * deplasabil la sol - fig. 3.2 b ; * suspendat într-un punct fix - fig. 3.2 c ; * deplasabil pe o structură portantă ce permite suspendarea RI - fig. 3.2 d;

- în fig. 3.3 sunt prezentate : - posibilităţi de amplasare a unui RI (de tip turelă, model KAWASAKI – UNIMATE) fixat la sol fig.3.3 a, deplasabil la sol fig. 3.3.b, şi, respectiv, suspendat intr-un punct fix fig. 3.3.c în cadrul unor aplicaţiil de sudare în puncte; - arhitectura generală şi parametrii geometrici ai spaţiului de lucru caracteristic unui astfel de RI in varianta de robot fixat la sol fig.3.4.a, si respectiv deplasabil la sol fig. 3.4.b.

Pentru roboţii de acest tip, deplasabili la sol (fig 3.3.b) sau pe structuri portante ce permit suspendarea lor, se remarcă dispariţia gradului de libertate de tip rotaţie la bază a RI din cadrul sistemului de poziţionare al RI (fig.3.4.b).

Roboţii fixaţi la sol sau suspendaţi într-un punct fix pe structura portantă îşi menţin activ şi acest grad de libertate.

3

Fig.3.2

a b c

Fig 3.3

a

b Fig.3.4

4

ORDINEA DE DISPUNERE A PRINCIPALELOR ANSAMBLURI COMPONENTE /

SUBSISTEME ALE UNUI RI Indiferent de criteriile pe bază cărora se stabileşte modul de amplasare a unui RI, ordinea de dispunere a principalelor ansambluri / subsisteme componente ale unui robot industrial poate fi definită ca distinctă în două situaţii : 1). pentru RI fixaţi sau deplasabili la sol;

2). pentru RI suspendaţi / ataşaţi într-un punct fix al unei anumite structuri portante, sau respectiv, deplasabili pe aceasta.

Pentru exemplificarea acestui lucru în fig.3.5 este prezentată ordinea de dispunere a principalelor ansambluri componente / subsisteme ale unui RI corelativ cu varianta constructivă, şi respectiv, modul specific de amplasare a acestuia în cadrul aplicaţiei robotizate: - pentru RI fixaţi, sau respectiv, mobili la sol, în fig.3.5 a; - pentru RI suspendaţi / ataşaţi într-un punct fix, sau respectiv, deplasabili pe o structură portantă ce permite suspendarea / ataşarea RI, în fig.3.5 b.

Observaţie: Subsistemele ce nu fac parte integrantă sau eventual pot lipsi din cadrul subsistemului mecanic al RI au fost încadrate cu linie punctată.

a

b Fig.3.5

5

Concluzii finale privind modul de amplasare şi ordinea de dispunere a

ansamblurilor componentelor / subsistemelor unui RI:

1) Modul de amplasare a unui RI în cadrul unei aplicaţii robotizate este

dependent de: - organizarea generală a fluxurilor tehnologice, arhitectura generală şi

structura sistemelor de producţie robotizate în care aceasta se integrează; - specificul operaţiilor de lucru realizate de către RI în cadrul unităţii de lucru

robotizate ce îl integrează şi tipul componentelor perirobotice cu care acestea se asociază;

2) Modul de amplasare a unui RI în cadrul unei aplicaţii robotizate poate

influenţa: - structura subsistemului mecanic al RI, pentru anumite categorii de RI (deplasabili la sol sau pe structuri portante de suspendare / ataşare a acestora), putând lipsi anumite grade de libertate (vezi fig.3.3 si fig.3.4.); - forma si dimensiunile spaţiului de lucru al RI, un exemplu elocvent în acest sens constituindu-l RI deplasabili la sol sau pe diferite tipuri de structuri portante. Introducerea modulelor de translaţie a bazei RI modifică nu numai forma spaţiului de lucru ci şi modelele de studiu geometrice / cinematice / dinamice. Suplimentar acest lucru implică adoptarea unui sistem de conducere a RI cu posibilitatea de coordonare simultană a mai multor axe comandate numeric decât cele aferente RI iniţial (fixat la sol); - modul de programare a RI, pentru RI suspendaţi sau ataşaţi sistemul de referinţă ataşat bazei RI având o poziţie şi o orientare dependentă de amplasarea acestuia pe o anumită structură portantă. Suplimentar, pentru aceşti RI în modelele de studiu geometrice/cinematice/dinamice trebuie introduşi parametrii Denavit-Hartenberg şi “frame”-uri suplimentare ce ţin cont de noua poziţie a bazei RI, şi respectiv, orientarea axelor sistemului de referinţă ataşat acesteia în raport cu sistemul de referinţă în care este definită aplicaţia robotizată.

3) Indiferent de criteriile pe baza cărora se stabileşte modul de amplasare a

unui RI, ordinea de dispunere a ansamblelor componente / subsistemelor

acestuia poate fi precizată ca distinctă pentru RI: - fixaţi / mobili la sol; - fixaţi / mobili pe o structură portantă de suspendare / ataşare a acestora.

4) Nu orice tip de RI poate fi amplasat ca RI suspendat (ex.: RI de tip

coloana, pistol, etc.).

RI “ataşaţi” pe diferite subsisteme tehnologice independente au o structură

a subsistemului mecanic particulară.

Orice tip de RI poate fi deplasabil la sol (excepţie făcând RI de tip portal

care prin însăşi concepţia lor nu necesită un astfel de grad de libertate).

6

SUBIECT 3. Structura cinematica de ansamblu a SP al RI.

3.1. Introducere Pentru o analiză unitară a cinematicii de ansamblu a oricărui RI facem

precizarea că structura subsistemului mecanic al acestora este caracterizată din punct de vedere cinematic, în principal, de următoarele aspecte:

- numărul, tipul, ordinea de asociere şi poziţia reciprocă a axelor de mişcare ale cuplelor majore ale RI ce permit:

* obţinerea gradelor de libertate necesare poziţionării şi orientării efectorului robotului; * generarea unui spaţiu de lucru al RI cu o anumită formă (în coordonate carteziene / cilindrice /polare / combinate, etc.);

- condiţionările geometrice şi cinematice, ce apar între elementele componente ale structurii mecanice a unui RI în timpul funcţionării acestuia corelativ cu:

* necesitatea generării unei anumite legi de mişcare a efectorului (deci implicit a traiectoriei acestuia); * limitele geometrice şi cinematice ale parametrilor caracteristici cuplelor majore ale RI; * independenţa, sau respectiv, dependenţa reciprocă a acestor parametrii rezultă din adoptarea unei anumite structuri mecanice a RI (în special din punct de vedere al modului de amplasare a motoarelor de acţionare şi alegerea tipului de sistem de transmitere a mişcării către elementele acţionate);

- posibilităţile de materializare efectivă a structurii lanţurilor cinematice corespunzătoare fiecărei axe comandate numeric a RI:

* integral, prin componente organologice proprii doar lanţului cinematic respectiv; sau

* parţial prin utilizarea în comun a unor anumite componente organologice şi parţial prin componente proprii lanţului cinematic respectiv;

acestea conducând la independenţa, sau respectiv, dependenţa reciproca a parametrilor geometrici şi cinematici caracteristici cuplelor majore ale RI Per ansamblu, orice varianta constructiva de RI poate fi incadrat din punct de vedere al solutiilor specifice de actionare a elementelor mobile ale acestuia si respectiv structurii cinematice de ansamblu intr-una din urmatoarele categorii:

- RI cu cinematica seriala: o cu structura cinematica de ansamblu de tip lant cinematic deschis o cu structura cinematica de ansamblu de tip lant cinematic semi-inchis o cu structura cinematica de ansamblu de tip lant cinematic inchis

- RI cu cinematica paralela: o cu structura cinematica de ansamblu de tip Delta (cu lanturi cinematice

inchise de tip paralelogram articulat) cu trei elemente motoare cu patru elemente motoare

o cu structura cinematica de ansamblu de tip Hexapod / platforma Stewart (cu lanturi cinematice semi-inchise)

cu sase elemente motoare Având în vedere consideraţiile de mai sus, în analiza construcţiei diferiţilor RI vor fi utilizate următoarele denumiri / definiţii pentru structura cinematică de ansamblu a acestora:

7

- “lanţ cinematic deschis”, pentru „structurile mecanice ale RI realizate din elemente de tip bare articulate, cu lungime constantă, structural / reciproc independente” (fără condiţionări reciproce între parametrii geometrici şi cinematici caracteristici cuplelor majore ale RI / articulaţiilor dintre “segmentele” RI, vezi fig.3.6.a.);

- “lanţ cinematic închis / semiînchis”, pentru „structurile mecanice ale RI realizate din elemente de tip bare articulate, cu lungime constantă / variabilă, structural / reciproc dependente”, (cu condiţionări reciproce între parametrii geometrici şi cinematici caracteristici cuplelor majore ale RI / articulaţiilor dintre “segmentele” RI); Diferenţele între ultimele două categorii de lanţuri cinematice constau în:

- materializarea “lanţurilor cinematice închise” , vezi (fig.3.6.c) prin

componente mecanice de tip bare, cu lungime constantă, (fără posibilitatea variaţiei distanţei dintre cele două articulaţii prin care un segment al conturului închis se articulează cu alte segmente), sau respectiv,

- materializarea “lanţurilor cinematice semiînchise” (vezi fig.3.6.b.) parţial

prin componente mecanice de tip bare cu lungime constantă şi parţial prin

componente mecanice, hidraulice sau pneumatice cu lungime variabilă între

articulaţiile de legătură (acestora cu alte segmente ale conturului închis). Asemanari: - in ambele cazuri (lanţ cinematic închis / semiînchis) barele articulate formează

un contur închis “deformabil” (modificabil ca formă) de tip “patrulater articulat”. Deformabilitatea acestui patrulater articulat trebuie înţeleasă:

- doar sub aspectul variaţiei formei acestuia, pentru cazul lanţurilor cinematice închise;

- sub aspectul variaţiei formei acestuia şi respectiv a lungimii unei laturi a acestuia, pentru cazul lanţurilor cinematice semiînchise.

- in ambele cazuri componentele mecanice de tip bare articulate cu lungime constantă / variabilă sunt astfel dimensionate suficient de rigide, încât să se evite cedările elastice ale acestora şi deci afectarea proprietăţilor fundamentale / legii de mişcare a punctului caracteristic al SP / SO. Din punct de vedere al independenţei / condiţionări reciproce a parametrilor geometrici / cinematici caracteristici cuplelor majore ale mecanismelor prezentate în fig.3.6. pot fi făcute următoarele precizări:

- mecanismul de tip lanţ cinematic deschis, fig.3.6.a are parametrii geometrici / cinematici caracteristici cuplelor r1 şi r2 reciproc independenţi;

a, b, c.

Fig.3.6.

8

- mecanismele de tip lanţ cinematic semiînchis, (fig.3.6.b), şi respectiv, lanţ cinematic închis, (dacă ne raportăm doar la paralelogramul articulat din fig.3.6.c), au parametrii geometrici / cinematici corespunzători cuplelor t1 (fig.3.6.b), şi respectiv, r1 (fig.3.6.c) reciproc dependenţi de parametrii t2 (fig.3.6.b şi fig.3.6.c). Parametrii t2 pot fi însă consideraţi independenţi în raport cu parametrii t1 (fig.3.6.b), şi respectiv, r1 (fig.3.6.c). În concluzie, raportându-ne doar la existenţa sau nu a posibilităţii de acţionare independentă / reciproc condiţionată a fiecărui segment al “braţului articulat (B.A)”:

- pentru RI din fig 3.6.a, fiecare segment al B.A. poate fi acţionat independent de celălalt;

- pentru RI din fig.3.6.b, si fig.3.6.c, segmetul 1 al B.A. nu poate fi acţionat decât dacă se comandă şi cupla activă ce permite acţionarea segmentului 2 al RI.

3.2. Structuri cinematice de ansamblu pentru RI cu cinematica seriala

3.2.1. Mecanisme plane de baza

In fig.3.7.a...d sunt prezentate cele patru posibilităţi majore de asociere a unor

cuple de translaţie(T) / rotaţie (R ) ce permit obţinerea unor mecanisme plane integrabile în S.P. al RI: T1-T2 (fig.3.7.a), T1-R2 (fig.3.7.b), R1-T2 (fig.3.7.c), şi respectiv, R1-R2 (fig.3.7.d).

a. b. c. d.

Fig.3.7

3.2.2. Mecanisme spatiale de baza

Oricărei variante de mecanism plan prezentat în fig.3.7. i se poate asocia şi o a

treia cuplă de R (fig.3.7.e,f), sau respectiv, de T (fig.3.7.g,h), din această asociere

rezultând mecanismele spaţiale întâlnite uzual în cadrul S.P. ale RI: - de tip “turelă” (cu spaţiu de lucru sferic), fig.3.7.e; - de tip “braţ articulat mobil în plan vertical”, (cu spaţiu de lucru în coordonate articulat-sferice),fig.3.7.f; - de tip “portal dublu” (cu spaţiu de lucru cartezian), fig.3.7.g; - de tip “braţ articulat deplasabil pe o structură portantă de tip portal simplu”, (cu cinematica hibrida si spaţiu de lucru în coordonate articulat-cilindrice), fig.3.7.h;

9

e. f.

Fig.3.6.g,h,i

Continuare cu OPTIUNEA 1 3.2.3. Structuri cinematice de ansamblu de tip lant cinematic deschis

În reprezentarea schemelor cinematice structurale ale S.P. caracteristice diferitelor variante constructive de RI trebuie însă acordată o atenţie deosebită modului în care pot fi ilustrate corect:

- tipul şi ordinea de asociere a cuplelor majore ale S.P. ale RI; - poziţia reciprocă a axelor de mişcare ale acestor cuple; - care dintre cele două elemente ale cuplei este fixat de ansamblul ce permite obţinerea gradului de libertate anterior celui pentru care se reprezintă cupla respectivă; - ce element al cuplei este mobil în mişcare de R/T (permite obţinerea gradului de libertate corespunzător cuplei reprezentate) şi cum se realizează legătura dintre acesta şi ansamblul ce permite obţinerea gradului de libertate următor.

Pentru exemplificarea modului în care aspectele sus menţionate pot fi aplicate corect în reprezentarea schematizată a S.P. al RI prezentăm în fig.3.7.a...g schemele cinematice structurale ale RI cu arhitecturi generale uzuale.

10

a

b

11

c

Fig. 3.7

d

12

e

f

13

g

Fig.3.7

Observaţii:

1.Toate categoriile de mecanisme plane şi spaţiale prezentate în fig.3.7. au

parametrii geometrici / cinematici, caracteristici cuplelor majore / active din S.P.,

reciproc independenţi. Din acest motiv ele sunt considerate în literatura de specialitate (publicată până acum în ţară) ca definind structuri cinematice de ansamblu,

ale S.P. al RI, de tip “lanţ cinematic deschis”. Marea majoritate a RI reprezentaţi în fig.3.7.a...g ca fixaţi la sol pot fi întâlniţi în

practică şi sub formă de RI deplasabili la sol. Corelativ cu modul de amplasare a RI şi specificul aplicaţiei robotizate structura cinematică a S.P. al RI iniţial poate fi menţinută invariabilă, sau respectiv, se poate modifica.

2. Insăşi în definiţia lanţurilor cinematice deschise / semiînchise / închise se

stipulează expres că referirile se fac doar la “structuri mecanice formate din

elemente de tip bare articulate”, lucru ce evident limitează utilizarea corectă a terminologiei în discuţie doar la RI cu arhitectura generala de tip brat articulat, de

aceea, în cele ce urmează terminologia de lanţ cinematic deschis / semiînchis /

închis se va considera ca fiind utilizabilă in mod corect doar pentru RI cu

arhitectură generală de tip “braţ articulat” cu cuplele majore / active ale

mecanismului plan de bază de tip R1-R2-R3.

3. “Independenţa” parametrilor geometrici / cinematici caracteristici

cuplelor majore / active ale S.P. al RI se referă la posibilitatea acţionării separate,

(‘independente”), a fiecărei cuple în parte. Pentru RI cu arhitectură generală de tip “braţ articulat” cu structură cinematică de ansamblu a S.P. de tip lanţ cinematic deschis / semiînchis / închis în continuare vor fi făcute precizări suplimentare privind independenţa / dependenţa reciprocă a acestor parametrii.

14

Continuare cu OPTIUNEA 2 3.2.4. Structuri cinematice de ansamblu de tip lant cinematic semi-inchis si inchis Spre deosebire de mecanismele spaţiale prezentate în fig.3.7. ca aferente S.P.

ale RI cu diferite arhitecturi generale, S.P. ale RI cu arhitectură generală de tip braţ

articulat pot include şi mecanisme cu contururi poligonale articulate de tip lanţ cinematic semiînchis / închis. Pentru ilustrarea diferenţelor majore între cele trei tipuri de structuri cinematice (deschise / semiînchise / închise) ele sunt prezentate comparativ in figura de mai jos:

a, b, c.

a) RI cu structura de tip „lant cinematic deschis”

15

b) RI cu structura de tip „lant cinematic semi-inchis”

c) a RI cu structura de tip „lant cinematic inchis”

Fig.3.8.

În particular, o serie de mecanisme plane integrabile în structura S.P. al RI cu arhitectură generală de tip brat articulat pot include şi contururi închise (de tip paralelogram articulat) multiple. Pentru analiza comparativă a unor astfel de structuri cinematice în fig.3.9. sunt prezentate:

- o structură de tip lanţ cinematic deschis fig.3.9.a, şi respectiv, - o structură de tip lanţ cinematic închis fig.3.9.b cu trei astfel de cotururi închise

de tip paralelogram articulat.

16

a. b.,

Fig.3.9

Pentru ilustrarea schemelor cinematice structurale, şi respectiv, a arhitecturilor generale ale unor RI cu structura cinematica de ansamblu de tip lant cinematic semi-inchis, aflati actual în exploatare, sunt prezentate succesiv:

- 3 structuri de tip lanţ cinematic semi-închis caracteristice RI, (cu arhitectură generală de tip brat articulat), cu sisteme de acţionare hidraulică / pneumatică si respectiv 3 modele de RI tip brat articulat cu contururi semiînchise prin intermediul unei laturi cu lungime variabilă materializabilă prin MHL / MPL (fig.3.10).

a. b. c.

17

Fig.3.10

- o structura similara de RI de tip brat articulat, ce include un lanţ cinematic închis (materializat printr-un patrulater articulat cu formă regulată, de tip paralelogram deformabil), şi respectiv două lanţuri cinematice semiînchise (fiecare dintre acestea având o latură, cu lungime variabilă, materializată prin intermediul unui mecanism şurub-piuliţă cu bile, corespunzătoare unor RI cu acţionare electrică model ABB IRB3 (fig.3.11).

a. b.

Fig.3.11 Fig.3.12

- arhitectura generala a unui RI de tip SCARA Puha-Pentel (cu mişcare a braţului articulat în plan orizontal) cu acţionare electrică (fig.3.12), ce include în structura sa cinematică contururi poligonale închise de tip paralelogram deformabil

- schema cinematică structurală (fig.3.13.a), a unui RI de tip brat articulat (model

KUKA IR 160, fig.3.13.b) ce include în structura cinematică a S.P. două contururi poligonale (având forme neregulate şi mai mult de patru laturi) de tip lanţ cinematic închis, şi respectiv, două contururi poligonale de tip lanţ cinematic semiînchis (cu o latură de lungime variabilă materializată prin intermediul unor mecanisme de tip şurub piuliţă cu bile);

18

a.

b.

Fig.3.13

19

SUBIECT 4. Structura cinematica de ansamblu a SO al RI.

3.1.3.3.1. Caracteristici constructiv-functionale majore ale SO. Numarul gradelor

de libertate si modul de parametrizare a SO. Implicatii rezultate din selectarea

unui anumit tip de SO asupra functionalitatii si programabilitatii RI Caracterizarea unui SO din punct de vedere constructiv-cinematic se poate face prin luarea in discutie a : - numarului de grade de libertate (1, 2 sau 3) aferente acestuia;

- ordinei de asociere si pozitiei reciproce a axelor cuplelor majore (“active”) de rotatie, prin care se obtin miscarile de orientare a efectorului, (de aceasta fiind dependenta asa numita “parametrizare” a SO);

- concurentei sau nu a tuturor axelor de rotatie, (ale SO cu 3 grade de

libertate), intr-un acelasi punct, din acest punct de vedere SO putand fi integrate in categoria celor:

-„sferice”, („centrice”)

-”pseudosferice”

-„nonsferice”, („excentrice”) - structurii cinematice si organologice a lanturilor cinematice ce permit aducerea miscarii de la motoarele de actionare a SO pana la elementele actionate din cadrul acestuia;

- independentei sau nu a miscarilor de orientare posibil a fi obtinute cu un anumit tip de SO;

- limitelor maxime ale parametrilor geometrici si cinematici caracteristici cuplelor active din cadrul SO analizat;

- aspectelor constructive particulare ale fiecarui SO analizat.

Din punct de vedere al numarului gradelor de libertate aferente SO al RI si MP, inca de la inceput trebuie mentionat faptul ca, SO ale RI au uzual 2 sau 3 grade de libertate, iar cel al MP, 1 maximum 2. Exista si variante de RI (tip SCARA; tip pistol pentru operatiile de control; tip RI atasat in coordonate sferice) ce au SO cu un singur grad de libertate, iar pentru multe tipuri de MP acest subsistem chiar lipseste. Pentru a putea denumi unitar si, respectiv, a putea compara functionalitatea

diferitelor tipuri de SO, in cele ce urmeaza miscarile posibil a fi realizate de catre

cuplele active ale SO, vor fi desemnate ca fiind de tip:

- “roll” (R), daca se executa sub forma de miscare de rotatie in jurul axei

longitudinale a ultimului “segment” / subansamblu din cadrul SP al RI / MP analizat;

- “pitch” (P), daca se executa sub forma de miscare de rotatie in jurul unei

axe orizontale, perpendiculare pe axa longitudinala a ultimului “segment” /

subansamblu din cadrul SP al RI / MP analizat

- “yaw” (Y), daca se executa sub forma de rotatie in jurul unei axe verticale,

perpendiculare pe axa longitudinala a ultimului “segment” / subansamblu

din cadrul SP al RI / MP analizat

Observatie: 1. S-a preferat utilizarea terminologiei in limba engleza intrucat ea este

considerata de catre autor, ca fiind actual suficient de raspandita sub aceasta forma chiar si in literatura tehnica romana. Suplimentar acestui lucru se evita utilizarea unor termeni, (care desemneaza in fond aceleasi tipuri de miscari), cum ar fi “ruliu”, “tangaj”,

20

“deriva”, sau “pronatie-supinatie”, “flexie-extensie”, “aductie-abductie”, (proprii disciplinelor ce asigura instruirea in domeniul navigatiei maritime sau respectiv, in domeniul stiintelor medicale), termeni considerati de autor ca fiind mai putin adecvati domeniului tehnic de specialitate in discutie (proiectarea RI / MP).

2 Indiferent de tipul SO, numarul gradelor de libertate ale acestuia, pozitia

reciproca a axelor cuplelor de rotatie si respectiv modul particular de definire a parametrilor cuplelor active ale SO, miscarile de orientare a efectorului isi pot pastra denumirile RPY dupa cum se realizeaza ca rotatii in jurul axelor sus mentionate.

In ceea ce priveste ordinea de asociere si pozitia reciproca a axelor cuplelor

de rotatie active din SO (cunoscuta uzual sub denumirea de “parametrizarea SO”), trebuie inca de la inceput precizat faptul ca, in practica, pentru principalele arhitecturi generale de RI aflati actual in exploatare, nu se utilizeaza decat anumite tipuri de parametrizari ale SO, acestea fiind uzual de urmatorul tip: -pentru RI de tip “turela” (in coordonate sferice): - SO cu 2 grade de libertate (respectiv, gradele 4 si 5) parametrizate:

- ”roll - pitch” - “pitch - roll”

- SO cu 3 grade de libertate (respectiv, gradele 4, 5 si 6) parametrizate: - “roll - pitch - roll” - SO speciale tip “trompa de elefant” - pentru RI de tip “brat articulat” (in coordonate articulat sferice): - SO cu 1 grad de libertate parametrizate: - ”roll” - SO cu 2 grade de libertate parametrizate: - “pitch -roll - SO cu 3 grade de libertate parametrizate: - “roll-pitch-roll” - “roll-pitch-yaw” - “pitch-yaw-roll” - pentru RI de tip “coloana” (in coordonate cilindrice sau carteziene), avand: - SO cu 2 grade de libertate parametrizate: - ”roll - pitch” - “roll - yaw” - “pitch - roll” - SO cu 3 grade de libertate parametrizate: - “yaw-roll-pitch” - “roll-pitch-roll” - “yaw-pitch-roll” - pentru RI de tip “pistol” (in coordonate cilindrice sau carteziene): - SO cu 1 grad de libertate parametrizate: - ”roll” - SO cu 2 grade de libertate parametrizate: - “roll - yaw” - ”roll - pitch” - “pitch - roll” - “yaw - roll” - pentru RI de tip “pistol” (in coordonate carteziene): - SO cu 1 grad de libertate parametrizate: - ”roll” - SO cu 2 grade de libertate parametrizate: - “pitch - roll”

21

- ”roll - pitch” - “yaw - roll” - SO cu 3 grade de libertate parametrizate: - “roll-pitch-roll” - “roll-pitch-yaw” Pentru SO precizate mai sus ca avand 3 grade de libertate una dintre

caracteristicile constructiv-functionale cele mai importante o reprezinta concurenta sau

nu a tuturor celor 3 axe de rotatie ale cuplelor active ale SO intr-un acelasi punct si de aici apartenenta SO respectiv la una din grupele de SO sferice, pseudosferice sau nonsferice. Din acest punct de vedere:

- SO sferice au toate cele 3 axe de rotatie ale cuplelor active, reciproc

perpendiculare si concurente intr-un acelasi punct si sunt parametriozate

roll-pitch-yaw, principial ele fiind de tipul celui reprezentat in fig. 3.18 a, b iar constructiv fiind realizate similar SO aferent RI prezentat in fig. 3.19.

a. b.

Fig. 3.18

Fig. 3.19

22

- SO pseudosferice au toate cele 3 axe ale cuplelor active concurente intr-

un acelasi punct, vezi fig. 3.20 a, b, fara insa a li se impune si conditia de

perpendicularitate reciproca permanenta a acestora. In particular se pot obtine si pozitii de lucru ale acestor SO pentru care cele 3 axe ale cuplelor active sa fie aduse reciproc perpendiculare. Uzual ele se considera insa, (asa cum sunt

si SO prezentate in fig. 3.20 a, b) ca sisteme “parametrizabile prin unghiuri

Euler” (sau roll-pitch-roll). Realizarea constructiva a acestor SO este frecvent similara celui prezentat in fig. 3.20 c.

a. b.

Fig. 3.20

Fig. 3.20.c

- SO nonsferice, denumite si SO excentrice, au cele trei axe ale cuplelor

active concurente 2 cate 2 (in 2 puncte reciproc distincte), cateva exemple de astfel de SO utilizate la RI aflati actual in exploatare fiind prezentate in fig. 3.21 a...d .

a. b.

Fig. 3.21

23

c. d.

Fig. 3.21

Observatie : In ceea ce priveste SO cu 2 grade de libertate, desi cele 2 axe ale cuplelor active ale acestora sunt intotdeauna concurente, vezi fig. 3.22 a...d, in functie de realizarea lor constructiva particulara SO pot fi si ele sferice sau respectiv nonsferice (aspectele particulare de conceptie a acestora urmand a fi detaliate ulterior).

a. b.

c. d.

Fig. 3.22 Optiunea pentru selectarea (sau respectiv proiectarea ) unui SO sferic / pseudosferic / nonsferic, cu care urmeaza a fi echipat un anumit tip de RI, este fundamentala in asigurarea unei functionalitati corecte al ansamblului general al RI in raport cu specificul aplicatiei robotizate in care el se integreaza si totodata, are implicatii majore asupra modelarii geometrice / cinematice / dinamice si respectiv programarii si conducerii RI. Din acest punct de vedere, ulterior, odata cu prezentarea detaliata a specificului aplicatiilor carora le sunt destinati RI cu diferite tipuri de arhitecturi generale si respectiv detalierea constructiei lor particulare, vor fi facute precizari suplimentare pentru fiecare caz in parte de SO aferent categoriilor de RI analizati.

24

Pentru moment pot fi insa precizate cateva caracteristici functionale generale ale SO sferice / pseudosferice / nonsferice si respectiv implicatiile majore ale acestora asupra modelarii, programabilitatii si conducerii RI:

-atat SO “sferice” cat si cele “pseudosferice” (Euler) permit materializarea

unei “incheieturi” a RI de tip “articulatie sferica virtuala”. Desi o astfel de articulatie “exista” doar din punct de vedere functional, (realizarea fizica a SO fiind de fapt de tipul cele prezentate in fig. 3.19 sau 3.20,.adica integrand doar cuple de rotatie cilindrice) in literatura de specialitate apar frecvent referiri la RI cu SO “sferice”, in special atunci cand se pune problema modelarii geometrice / cinematice / dinamice a RI, (intrucat materializarea unui astfel de SO faciliteaza formalizarea matematica si rezolvarea unor astfel de modele ale ansamblului general al RI); - chiar si pentru SO sferice si pseudosferice, punctul caracteristic al efectorului / ”centrul gripperului”, “varful sculei / dispozitivului de lucru”, etc.) sufera modificari ale pozitiei proprii in raport cu punctul de la capatul SP al RI. Aceasta modificare a pozitiei punctului caracteristic al efectorului introdusa de SO poarta numele de

“pozitionare secundara”, (vezi denumirea completa a SO), si este

caracterizata de un “vector de pozitionare secundara”. El poate fi

considerat, in cazul SO sferice sau pseudosferice, ca avand modulul

constant (vezi fig. 3.18 a) si o orientare variabila, lucru ce permite in modelarea RI asa numita “decuplare” a SO de SP in scopul rezolvarii mai usoare a problemelor de geometrie / cinematica / dinamica inversa;

- pentru SO nonsferice vectorul de pozitionare secundara are si modulul si

orientarea variabile (vezi fig. 3.21), pentru rezolvarea modelelor inverse susmentionate nemaifiind posibila “decuplarea” SO de SP. - neluarea in considerare a efectului “pozitionarii secundare” a efectorului prin intermediul SO conduce la aparitia unor erori de calcul grave in modelele susmentionate si implicit, la conducerea gresita in pozitie / pe traiectorie a efectorului RI, motiv pentru care aspectele specifice implicate de consideratiile de mai sus vor fi detaliate separat in cadrul unui capitol special destinat modelarii RI; - suplimentar celor susmentionate, sfericitate sau nonsfericitatea SO trebuie avuta in vedere si la programarea RI in special atunci cand acestia sunt echipati cu sisteme de comanda pe traiectorie si aservire a miscarilor de orientare a efectorului pe aceasta, aspecte ce vor fi detaliate dupa parcurgerea notiunilor introductive referitoare la sistemele de comanda a RI.

Un exemplu in acest sens il constituie SO prezentat in fig. 3.23 ce include in structura sa un mecanism de tip pantograf (a carei materializare are la baza structuri de

bare articulate de tip patrulater deformabil). In acest caz, suplimentar concurentei in

acelasi punct a celor trei axe in jurul carora se efectueaza miscarile de orientare,

punctul de concurenta este totodata si “centrul gripperului” / ”varful sculei” cu

care se echipeaza RI, motiv pentru care SO al RI poate fi asimilat unei “articulatii

sferice virtuale punctuale” (raza sferei pe care se face pozitionarea minora a “centrului / varfului” efectorului fiind zero, iar vectorul de pozitionare minora nul).

25

Fig. 3.23

Utilizarea unui astfel de SO simplifica programarea si conducerea RI pe care il echipeaza, pozitionarea totala a efectorului putand fi caracterizata doar de vectorul de pozitionare majora si un scalar ce defineste distanta dintre punctele de la capatul SO si centrul sferei punctuale. Suplimentar acestui lucru, prin reducerea momentelor de inertie ale efectorului si obiectului manipulat, in jurul axelor centrale, cuplurile inertiale scad si ca urmare motoarele de actionare pentru gradele de libertate ale SO pot fi reduse ca gabarit (cuplul necesar a fi dezvoltat de catre acestea fiind micsorat corespunzator scaderii sarcinii inertiale). Similar celorlalte SO sferice sau pseudosferice si pentru cel prezentat in fig. 3.23 analiza / sinteza geometrica / cinematica / dinamica se poate face prin “decuplarea” SO de SP.

3.1.3.3.2. Structura l.c. ce permit transmiterea miscarii de la motoarele de

actionare a SO pana la elementele ce realizeaza efectiv miscarile de orientare. Toate SO prezentate anterior au fost analizate in principal din punct de vedere functional (cinematic). Fiecare dintre acestea pot fi insa materializate efectiv in cadrul unor RI prin diferite solutii constructive. Fara a intra in detalii de acest tip pentru moment este de retinut faptul ca realizarea constructiva a SO este dependenta in principal de:

- arhitectura generala a RI caruia ii este destinat SO respectiv; - specificul aplicatiei majore pentru care a fost conceput RI; - structura cinematica de ansamblu a RI;

- posibilitatile de amplasare a motoarelor de actionare a SO (direct in cupla actionata/in apropierea acestora, pe ultimul element din cadrul SP al RI / catre baza RI, pe elementele primare din cadrul SP al RI respectiv); - structura cinematica si organologica a l.c. ce permit transmiterea miscarii de la motoarele de actionare a SO pana la elementele ce realizeaza efectiv miscarile de orientare, corespunzatoare unor anumite variante de RI;

Ca urmare a celor susmentionate se poate desprinde concluzia ca pentru fiecare familie de RI in parte pot fi utilizate doar anumite tipuri de SO si respectiv de structuri

26

de l.c. pentru actionarea elementelor finale ale acestora, aspectele particulare privind conceptia lor urmand a fi prezentate pentru fiecare grupa de RI in parte. Ca aspecte generale privind structura l.c. utilizate pentru actionarea SO pot fi precizate in aceasta faza urmatoarele: - in majoritatea cazurilor pentru obtinerea miscarilor de orientare a efectorului RI se utilizeaza l.c. independente (cu motoare de actionare separate si componente organologice distincte pentru fiecare grad de libertate); - pentru o serie de SO, desi exista motoare de actionare separate si structuri de l.c. distincte pentru fiecare grad de libertate, unele mecanisme din cadrul acestora pot fi comune (de tip diferential), astfel incat miscarile de orientare pot fi obtinute fie prin transmiterea miscarii de la un singur motor, fie prin insumare a miscarilor transmise de la ambele motoare de actionare a SO. Astfel de SO permit de regula obtinerea a 2 sau 3 grade de libertate (in ultimul caz structura l.c. ce permite obtinerea primei miscari de orientare fiind complet distincta de cea a celorlalte doua l.c. cuplate prin diferential); - odata cu dezvoltarea conceptiei modular-mecatronice a RI au aparut si SO cu o constructie compacta, (realizate din module cuplabile reciproc in diferite configuratii particulare), ce integreaza si motoarele de actionare „direct drive” (amplasate direct in cupla actionata). In acest caz structurile de l.c. aferente SO sunt mult simplificate fiind de regula de tip motor-element actionat sau respectiv motor-reductor armonic plat- element actionat;

- pentru o serie de RI de conceptie “clasica” in structura l.c. ce permit

actionarea cuplelor active din cadrul SO apar structuri cinematice de tip l.c.

inchis formate din mecanisme de bare articulate sau respectiv ce includ cuple cinematice de ordin superior (de rototranslatie) caracteristice structurilor de tip l.c. semiinchis. Exemple in acest sens le constituie:

-l.c. utilizate pentru actionarea SO de la RI cu arhitectura generala de

tip brat articulat realizati de firmele ASEA (IRb), AUTOMATICA S.A.

(RIP 6,3) sau ZIM vezi fig. 3.24 si respectiv

Fig.3.24

Motor actionare

gradul 5 de libertate

Motor actionare

gradul 4 de libertate

Sistem de

orientare

27

CONCLUZII

Subsistemul SS1 - constituie unitatea operationala a RI si include:

structura mecanica a RI, echipata cu motoare de acţionare, senzori si traductoare

şi respectiv efectorul RI / echiparea tehnologica a RI.

Structura mecanică a RI este prevăzută cu maxim 6 grade de libertate,

dintre care trei sunt utilizate pentru poziţionarea / generarea traiectoriei

efectorului şi trei pentru orientarea efectorului RI.

Cuplele de translatie / rotatie ce permit obţinerea celor 6 grade de libertate

ale efectorului RI sunt denumite şi “cuple majore active”, atunci când sunt

prevazute cu motoare proprii de actionare. Cu excepţia unor cazuri speciale (RI dedicati pentru operatii de paletizare), fiecare lanţ cinematic ce permite obţinerea unui grad de libertate are câte un motor de acţionare propriu, gradele de libertate fiind caracterizate de variabile cinematice reciproc independente (“decuplate”).

Observatii: - exista situatii in care in cadrul unor anumite structuri de roboţi industriali (RI de tip brat articulat pentru paletizare sau RI de tip SCARA pentru manipulat wafere) apar si

„cuple majore pasive” pentru care nu exista motoare proprii de actionare, locul acestora fiind preluat de structuri mecanice care asigura o miscare conditionata a cuplelor respective / elementelor actionate in raport cu alte elemente mobile ale RI. In aceste situatii numarul gradelor de libertate a efectorului RI se determina luand in considerare atat cuplele majore active cat si cuplele majore pasive ale RI. - pentru anumite structuri mecanice de RI (cu structura cinematica redondanta) cele 6 grade de libertate ale efectorului pot rezulta in urma combinarii miscarilor realizate de un numar de 7, 8 sau chiar 9 elemente mobile ale RI. In astfel de cazuri miscarile

realizate de catre cele 7, 8, 9 elemente mobile ale RI definesc asa numitele „grade de

mobilitate” ale efectorului RI si ele nu trebuie confundate cu cu cele (maxim 6) grade de libertate ale efectorului RI. Diferenta intre numarul total de grade de mobilitate si numarul maxim de 6 grade de libertate ale efectorului RI permite definirea asa

numitelor „grade false de libertate” ale RI.

Sistemele de orientare a efectorului RI pot avea 1/ 2/ 3 grade de libertate. Pentru sistemele cu trei grade de libertate se disting:

- sisteme parametrizate RPY (centrice / sferice) - sisteme parametrizate RPR (Euler = pseudo-sferice) - sisteme parametrizate RPY / RPR (non sferice / noncentrice) Din punct de vedere al programabilitatii RI apar facilitati importante in cazul RI cu

articulatilor sferice virtuale si distinct de acestia al celor cu articulatiilor sferice punctuale virtuale.

In ceea ce priveste RI cu actionare paralela, structurile cinematice de acest tip se disting de cele specifice RI cu actionare seriala prin modul particular in care se realizeaza pozitionarea / generarea traiectoriei end-effectorului si respectiv orientarea acestuia.

Conceptual, exista doua variante constructive de baza de RI cu actionare paralela: - RI cu arhitectura generala de tip robot hexapod / platforma Stewart - RI cu arhitectura generala de tip robot Delta.