ROBOTILOR INDUSTRIALI Robotul este este un aparat automat sau un dispozitiv operează în mod asem ănător inteligenţei umane
care îndepline şte funcţii specific umane sau
În concluzie RI are caracteristicile: - este o maşină automat ă; - este adaptabil condiţiilor unui mediu complex şi variabil prin reprogramar e manuală sau automată; - îndeplineşte func ţ ii în activitatea productiv ă, exercită o ac ţiune ii de mi şcare specifice omului în fizică asupra mediului.
2. SUBSISTEMELE ROBO ŢILOR INDUSTRIALI Funcţii: - acţiune fizică asupra mediului; - percepţie; - comunicare; - decizie.
SM-sistem mecanic SA-sistem de acţionare SS-sistem senzorial SC-sistem de comand ă SCo-sist. de comunicare cu operatorul uman
3. SISTEMATIZARI ALE ROBO ŢILOR INDUSTRIALI Criteriul 1: informaţia de intrare şi modul de învăţare (Comisia de standardizare Japonia) MANIPULATORI MANUALI - acţionaţi direct de operatorul uman; ROBOTI SECVEN ŢIALI - efectuează repetitiv o succesiune de opera ţii. În funcţie de uşurinţa modificării operaţiilor programate se disting: RI cu secven ţ secven ţ e predeterminate şi RI cu secven ţ secven ţ e variabile. ROBOTI REPETITORI (PLAYBACK) - se programează prin metoda netextual ă, teach-in, antrenare; ROBOTI CU COMAND Ă NUMERICĂ - execut ă operaţiile programate în conformitate cu informaţiile numerice referitoare la pozi ţii, orient ări, succesiuni de opera ţii etc. ROBOŢI INTELIGENTI – sau generaţia a treia de RI. În mod particular în Japonia se consider ă roboţi şi manipulatoarele manipulatoarele spre deosebire deosebire de de restul lumii unde în general se accept ă denumirea de robot doar dac ă acesta este condus cu calculatorul, situaţie în care se nume şte sistem robot. Criteriul 2: sistemul de coordonate asociat lanţului cinematic de pozi ţionare ROBOŢI ÎN COORDONATE CARTEZIENE: generează un spaţiu de operare; ROBOŢI ÎN COORDONATE CILINDRICE: generează un spaţiu de operare delimitat de dou ă suprafeţe cilindrice concentrice si dou ă plane perpendiculare pe axa comun ă ROBOŢI ÎN COORDONATE SFERICE: generează un spaţiu de operare cuprins între dou ă suprafeţe sferice cu acelaşi centru; ROBOŢI ÎN COORDONATE UNGHIULARE: generează un spa ţiu de operare complex cu alur ă sferică.
ROBOŢI ÎN COORDONATE CARTEZIENE RI în coordonate carteziene ( RICar) au un LP format doar din cuple T reciproc ⊥. Aceştia se utilizează ca RI cu baza la sol sau ca RI suspenda ţi, care în cazul RICar se numesc RI portal.
Avantaje RICar: - au rigiditate mare, în consecin ţă pot manipula obiecte relativ grele, utilizându-se ca RI “pick and place”, paletizare, înc ărcare MU; - sunt simplu de programat; - RI portal ocup ă puţin loc la sol, dezvoltându-se pe vertical ă unde în general într-o sec ţie productivă este mai mult spa ţiu liber. În consecin ţă accesul la utilajele pe care le serveşte este mai puţin restricţionat; - eroarea cinematic ă de poziţionare este constantă în orice punct al spa ţiului de operare, în consecinţă sunt utilizaţi ca RI de măsurare(er. cin. de poz. este dependent ă doar de precizia de realizare a valorilor programate a coordonatelor generalizate ale LP) Dezavantajele RICar: - necesită un spaţiu de lucru (de func ţionare) mare, fenomen deranjant mai ales la RICar cu baza la sol; - având suprafe ţe relativ mari de ghidare a cuplelor T (cupla T nu este o cupl ă compactă) sunt necesare protecţii antipraf, anticorozive.
ROBOŢI ÎN COORDONATE CILINDRICE RI în coordonate cilindrice ( RICil) au o cuplă R de pivotare şi de două cuple T perpendiculare R II T T. Această structur ă generează un spaţiu de operare cilindric şi este raţională pentru posturi de lucru plasate în jurul RI. Cum o astfel de configura ţie pentru celule flexibile de prelucrare are dezavantaje, actualmente RICil nemodulari cu func ţii de încărcare-descărcare maşini unelte sunt rari . În plus având două cuple T sunt necesare protec ţiile ghidajelor. Structura este viabil ă pentru manipulatoare modulare de dimensiuni relativ mici. ROBOŢI ÎN COORDONATE UNGHIULARE Roboţii în coordonate unghiulare ( RIUng) sunt cei mai populari RI având urm ătoarea structur ă a lanţului de poziţionare: R R II R . Avantaje: - Datorită utilizării doar a policuplelor R, care sunt compacte, RIUng care au LC simplu deschis sunt zvelţi, deci spaţiul de funcţionare este mai mic decât la alte tipuri.
- RIUng au un spaţiu de operare aproximativ sferic, relativ mare comparativ cu dimensiunea RI. - Există posibilitatea echilibr ării braţului robot, fapt ce îmbun ătăţeşte proprietăţile dinamice ale RI. - Cvasimajoritatea lor au servomotoare CA. - RIUng sunt RI universali utiliza ţi în manipularea materialelor, paletiz ări-depaletizări, încărcare-descărcare MU, utilaje, sudur ă în puncte, cu arc, cu laser, vopsiri prin pulverizare, aplic ări de adezivi, inspecţie etc. Dezavantaje - Nu au rigiditate mare, îns ă aceasta poate fi îmbun ătăţită prin includerea unui contur motor pentru ultimele două cuple R II R ale LP (fig. 11). - precizia cinematic ă de pozi ţionare este dependent ă de pozi ţia punctului caracteristic în spa ţiul de operare.
TERMINOLOGIE LANŢ CINEMATIC DE POZI ŢIONARE (LP)-lanţ cinematic deschis cu rolul de pozi ţionare a punctului caracteristic solidar cu obiectul manipulat. LP are un gabarit mult mai mare decât lan ţul de orientare şi în consecinţă determină forma spaţiului de operare a RI. În viziune antropomorfic ă este similar ca funcţionalitate cu braţul +antebraţul uman. LANŢ CINEMATIC DE ORIENTARE (LO)-lanţ cinematic deschis cu rolul de orientare, deplasare unghiular ă în jurul punctului caracteristic. În analogie antropomorfic ă LO corespunde încheieturii mâinii. LANŢ CINEMATIC DE GHIDARE (LG): LG = LP – LO. (LP înseriat cu LO). 4. PRINCIPALII PARAMETRI TEHNICI AI ROBO ŢILOR INDUSTRIALI 1. Capacitatea de încarcare nominal ă: masa obiectului manipulat + masa prehensorului sau doar masa endefectorului dacă se efectuează operaţii tehnologice, pentru care se garanteaz ă realizarea caracteristicilor de exploatare. Raportarea se face fa ţă de un un punct situat pe flan şa ultimului element cinematic al LG (TCP – Tool Center Point). Numeroase firme indică distanţa maximă a centrului de mas ă a prehensorului+obiect fa ţă de TCP şi excentricitatea maximă faţă de axa normală pe flanşă, care trece prin TCP. În anumite prospecte se specifică doar momentele de iner ţie şi de încovoiere maxime asociate ultimelor cuple ale LG 2. Mobilitatea RI: numărul de grade de mobilitate a lan ţului de ghidare a RI (nu se ia în considerare gradul de mobilitate a prehensorului). 3. Parametri cinematici - plajele deplas ărilor în cuplele LG, viteze, accelera ţii maxime, timpul necesar atingerii vitezei de 1 m/s, plecând de la 0 m/s. Acestea se refer ă la TCL. 4. Timpul de ciclu standard - este o măsur ă a productivit ăţii fiind semnificativ mai ales pentru RI pick&place. 5 Precizia de pozi ţionare. a TCP se urmăreşte sub două aspecte: 1. Eroarea de pozi ţionare - abaterea organului de lucru fa ţă de poziţia programată (diferenţa dintre poziţia comandată şi centrul de mas ă al poziţiilor atinse). 2. În prospecte se indic ă doar eroarea de repetabilitate (raza sferei cu centrul de mas ă al poziţiilor efectiv realizate) sub forma ± ε, în conformitate cu testele ISO. Mai rar se indic ă şi eroarea traiectoriei de lucru : abaterea traiectoriei reale fa ţă de cea programată, semnificativă la RI de sudur ă, tehnologici. Pentru manipulatoare programate teach-in se utilizeaz ă doar eroarea de repetabilitate. 6. Spaţiul de lucru (funcţionare) - spaţiul necesar funcţionării RI. 7. Spaţiul în care se poate g ăsi endefectorul se nume şte spaţiu potenţial de operare (SPO). Subspaţiul SPO în care endefectorul işi îndeplineste funcţiile impuse spaţiu efectiv de operare (SEO). Dacă nu se face deosebirea între SPO şi SEO se poate utiliza termenul generic de spaţiu de operare (SO).
În prospecte se indic ă forma exact ă a SO, volumul SO şi raza maximă atinsă de către braţul RI. 8. Masa totală a RI, gabaritul, suprafata ocupat ă, locul de montaj (la sol, pe pere ţii verticali sau pe tavan). 9. Condiţii de mediu (domeniul temperaturilor admisibile, nivelul maxim al vibra ţiilor, al zgomotului existent în mediu), gradul de protec ţie. 10. Controlerul şi acţionarea - parametrii surselor de energie; - capacitatea memoriei; - metoda de programare (textual ă-limbajul utilizat, netextual ă);
LANTURI CINEMATICE DE POZITIONARE, ORIENTARE, VERTEBROIDE SI DE GHIDARE 1. GHIDAREA, LANŢURILE DE GHIDARE Se consider ă un corp rigid, c ăruia i se asociază un sistem de coordonate triortogonal drept (OXYZ) cu originea în O, numit PUNCT CARACTERISTIC (PC), raportat la un sistem de coordonate fix (O0X0Y0Z0). GHIDAREA corpului const ă în POZITIONAREA punctului caracteristic (coordonatele liniare x, y, z) şi ORIENTAREA acestuia (coordonate unghiulare α β γ ). Ghidarea efectuată de RI se poate face prin: ,
,
1. Lanturi cinematice deschise (LCD), RI serie 1.1. LCD structurate în LP şi LO: LG= LP-LO, analogia antropomorfica (fig. 1); 1.2. LCD nestructurate în LP şi LO; 1.3. LCD structurate în LP şi LV (lanţ vertebroid) (fig. 2); 1.4. LCD format doar din LV; 2. Lanturi cinematice inchise (LCI), platforme DELTA, STEWART, vezi RI paraleli 3. Lanturi complexe deschise, LCI înseriate (fig. 3), solu ţie rar aplicată din cauza complexităţii sistemului de comandă.
Gradul de mobilitate a lan ţului de ghidare Pentru un RI serial (cu LG având la baza un LCSD) format din C5 cuple monomobile (uzual R, T), care lucreaz ă într-un spaţiu cinematic f ăr ă constrângeri (nu exist ă mişcări de bază care să fie inaccesibile tuturor elementelor cinematice ale LC), gradul de mobilitate se calculeaz ă cu relaţia: M=C5 (vezi fig.1 M=6, fig. 2 M=8). Mobilitatea calculată luând in considerare doar caracteristicile structurale ale LG (numarul si natura cuplelor, elementelor cinematice ) este o mobilitate globală a LG. Dacă se iau în considerare şi parametrii geometrici ai elementelor cinematice, limitele deplasarilor din cuplele LG se poate calcula o mobilitate locală a LG, care pentru o configura ţie oarecare a LG poate fi mai mic ă sau egală cu cea global ă.
Uzual RI universali au şase grade de mobilitate . Pentru anumite aplicaţii, unde se utilizează RI/manipulatoare dedicate, pot fi necesare mai multe sau mai pu ţine grade de mobilitate decât 6 Un robot redundant cinematic are mai multe grade de mobilitate ale LG decât cele necesare pentru a defini poziţiile şi orientările end-efectorului. Un RI care opereaz ă în spaţiul 3D şi care are 6 grade de mobilitate este un RI neredundant, un RI cu M>6 este redundant. Redundanţa cinematică a roboţilor este utilă în următoarele cazuri: - Roboţii care lucrează în medii ostile şi îndepărtate de baza logistic ă: spaţiul cosmic, submarin, incinte puternic radioactive sau contaminate chimic. În aceste situa ţii o defectarea a robotului poate avea efecte catastrofale. În consecin ţă aceştia sunt concepuţi ca toleranţi la defecţiuni ( fault tolerance). De exemplu robo ţii hiperedundanţi serpentiformi. Dacă apare o defec ţiune la una din articulaţiile robotului intervine o frân ă care o blocheaz ă pentru a împiedica mi şcările necontrolate, sistemul robot având capacitatea s ă-şi continue activitatea. La nivelul controlului problema este foarte dificil de rezolvat. - Pentru ocolirea de obstacole prin curbarea LG. - Roboţii redundanţi pot fi optimizaţi cinematic şi dinamic într-un grad superior în comparaţie cu cei neredundanţi. Rezolvarea PCI are urm ătoarea particularitate: se pot deduce 6 ecua ţii (3 poziţii şi 3 orientări ale end-efectorului) îns ă numărul de necunoscute (deplas ările în cuplele LG) este mai mare; deci în general, sistemul este compatibil nedeterminat (are o ∞ de soluţii). Un posibil model de control cinematic este de a calcula prin programare matematică mono sau multiobiectiv deplasările în cuple. Ca funcţii scop se pot utiliza: - maximizarea trasmisibilităţii forţei: alegerea unei solu ţii care să transmită o for ţă maximă la end-efector; - maximizarea vitezei în articula ţiile LG: se aleg soluţiile care cer o cantitate minim ă de mişcare; - minimizarea energiei consumate: se aleg soluţiile care asigur ă viteze şi momente de iner ţie minime; - maximizarea rigidităţii: se aleg soluţiile care determină cedări elastice minime.
2. POZITIONARE, LAN ŢURILE DE POZI ŢIONARE ţ ionarea unui corp se în ţ elege mi şcarea acestuia de la o pozi ţ ie nedefinit ă sau Prin pozi oarecare la una dat ă , neluându-se în considerare orientarea corpului (VDI 2860/90)
LP au functia principal ă de a poziţiona obiectul manipulat: - LP2 genereaz ă o suprafaţă de operare (SO2); - LP3 genereaz ă un volum de operare (SO3);
2. ORIENTAREA, LAN ŢURILE DE ORIENTARE Lanţul cinematic de orientare (LO) are ca func ţie principală deplasarea unghiular ă a obiectului manipulat. Mecanismele de orientare au aceea şi funcţionalitate cu cea a încheieturii mîinii umane, care prin articula ţia radio-carpiană realizează mişcările elementare de rota ţie: flexie-extensie, abduc ţ ie-adduc ţ ie, prona ţ ie-supina ţ ie. LO au în general la baza LCSD formate din cuple R , cu axe ortogonale sau oblice pentru cuplele succesive.
