Celulă Flexibilă Robotizată DE Sortare După Culoare

“CELULĂ FLEXIBILĂ ROBOTIZATĂ DE SORTARE DUPĂ CULOARE”

“Ștefan Ionuț-Claudiu”

COORDONATOR ȘTINȚIFIC

Prof. Univ. dr. Ing. Mircea Nițulescu

Iulie 2016

CRAIOVA

„CELULĂ FLEXIBILĂ ROBOTIZATĂ DE SORTARE DUPA CULOARE”

Ștefan Ionuț-Claudiu

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC

Prof. Univ. dr. Ing. Mircea Nițulescu

Iulie 2016

CRAIOVA

„Învățătura este o comoară care își urmează stăpânul pretutindeni.”

Proverb popular

DECLARAȚIE DE ORIGINALITATE

[anonimizat], student la specializarea Mecatronică din cadrul Facultății de Automatică, Calculatoare și Electronică a Universității din Craiova, certific prin prezenta că am luat la cunoștință de cele prezentate mai jos și că îmi asum, în acest context, originalitatea proiectului meu.

cu titlul „Celulă flexibilă robotizată de sortare după culoare”

prezentată în sesiunea IULIE 2016.

La elaborarea proiectului de licență, se consideră plagiat una dintre următoarele acțiuni:

reproducerea exactă a cuvintelor unui alt autor, dintr-o altă lucrare, în limba română sau prin traducere dintr-o altă limbă, dacă se omit ghilimele și referința precisă,

redarea cu alte cuvinte, reformularea prin cuvinte proprii sau rezumarea ideilor din alte lucrări, dacă nu se indică sursa bibliografică,

prezentarea unor date experimentale obținute sau a unor aplicații realizate de alți autori fără menționarea corectă a acestor surse,

însușirea totală sau parțială a unei lucrări în care regulile de mai sus sunt respectate, dar care are alt autor.

Pentru evitarea acestor situații neplăcute se recomandă:

plasarea între ghilimele a citatelor directe și indicarea referinței într-o listă corespunzătoare la sfărșitul lucrării,

indicarea în text a reformulării unei idei, opinii sau teorii și corespunzător în lista de referințe a sursei originale de la care s-a făcut preluarea,

precizarea sursei de la care s-au preluat date experimentale, descrieri tehnice, figuri, imagini, statistici, tabele et caetera,

precizarea referințelor poate fi omisă dacă se folosesc informații sau teorii arhicunoscute, a căror paternitate este unanim cunoscută și acceptată.

Data, Semnătura candidatului,

PROIECTUL DE DIPLOMĂ

REFERATUL CONDUCĂTORULUI ȘTIINȚIFIC

În urma analizei lucrării candidatului au fost constatate următoarele:

În concluzie, se propune:

Data, Semnătura conducătorului științific,

REZUMATUL PROIECTULUI

Această lucrare din punct de vedere al conținutului este compusă din doua parți, prima parte conție noțiuni teoretice (capitolele I, II și III), iar în partea a doua a proiectului (capitolul IV) este detaliată relizarea practică.

În prima parte sunt precizate atât notiuni generale din domeniul, robotici, sistemelor felexibile de fabricație și al roboților industriali cat și noțiuni de specialitate din aceste domeni.

Capitolul 2 intitulat „Generalitați” este structurat din patru subcapitole. În primul subcapitol se încearcă introducerea în vastul domeniu al robotici prin specificrea provenienței cuvantului robot și prin enumerarea unor realizari importante din robotică și inteligență artificială, în subcapitolul doi sunt definiți termeni precum: robot, robot industrial, sistem flexibil etc. Subcapitolul trei consemnează statisticile roboților industriali din 2002 pâna în 2014, iar subcapitolul IV prezintă clasificarea roboților din

Capitolul 3 prezintă sistemele componenre din care este structurat un robot și anume: sistemul mecanic, sistemul de acționare, efectorul final sistemul de comandă, senzorii și traductoarii și sistemul de conducere.

Rolul sistemului de comandă al unui robot este echivalent cu rolul sistemului nervos. Sistemul nervos realizează legatura între organelle aparatale și sistemele organismului. Echivalentu organelor de simț sunt traductoarele și senzori, care prelevează și transmit informațiile de la mediul exterior și de la sistemele interne ale robotului.

Partea a II-a este constituită din capitolul 4 care redă pași care sunt urmați pentru relizrea aplicației robotizate și conține descrierea: componntelor hardware folosite, structuri mecanice, sistemului de acționare, dispozitivului efector, senzorului, conexiune componentelor hardware la placa de dezvoltare Arduino.

Termenii cheie: [robot, flexibil, sistem mecanic, sistem de acționare, dispozitiv de prehesiune, traductoare, senzori, PWM, microcontroler ].

CUPRINSUL

LISTA FIGURILOR

Fig. 2.1 Celulă flexibilă robotizată de paletizare…………………………………………………….…3

Fig. 2.2 Celulă flexibilă robotizată de vopsire…………………………………………………….……3

Fig. 2.3 Estimarea la nivel mondial a vanzarii anuale de roboți industriali (2002-2014)…………………..8

Fig. 2.4 Aprovizionarea anuală la nivel mondial cu roboți industriali pentru fiecare industrie……….10

Fig. 3.1 Schema bloc a structurii unui robot…….…………………………………………………….13

Fig. 3.2 Structura sistemului mecanic pentru un robot………………………………………………………………..16

Fig. 3.3 Obiect cilindric: punct characteristic, dreaptă caracteristică și auxiliară…………………….16

Fig. 3.4 Varianta TTT – robot în coordonate carteziene…..…………………….………………….…18

Fig. 3.5 Varianta RTT – robot în coordonate cilindrice………………….…………………………….18

Fig. 3.6 Varianta RRT – robot în coordonate sferice…………………………………………………. 19

Fig. 3.7 Varianta RRR – robot în coordonate polare…………..………………………………………19

Fig. 3.8 Rotațiile mecanizmelor de orientare………………………………………………………….20

Fig. 3.9 Dispositive de prehesiune de tip ventuză cu vid……………………..………………………20

Fig. 3.10 Dispositiv de prehesiune magnetic…………………………………………………………. 21

Fig. 3.11 Mecanismul de prehesiune bilateral cu caracteristică mecanică constantă………………….21

Fig. 3.12 Dispozitiv efector pentru sudarea prin puncta……………………………………………….21

Fig. 3.13 Dispozitiv efector pentru operații de sudură pe contur……………………………………….22

Fig. 3.14 Schema bloc a unui sistem de acționare pentru un robot………………………………………………..22

Fig. 3.15 Motor de curent continu…………………………………………………………………………………………….24

Fig. 3.16 Motoarele hidraulice liniare cu simplă acțiune………………………………………………25

Fig. 3.17 Motoare hidraulice liniare cu dublă acțiune…………………………………………………………………25

Fig.3.18 Schema bloc a unui senzor cu semnalele de intrare/ieșire……………………………………28

Fig. 3.19 Structura unui sistem de conducere…………………………………………………………………………….30

Fig. 3.20 Programarea de tip PTP………………………………………………………………………32

Fig. 3.21 Programarea de tip MP………………………………………………………………………32

Fig. 3.22 Functiile unitați centrale de prelucrare………………………………………………………33

Fig. 4.1 Dimensiunile servomotorului MG996R………………………………………………………………………..35

Fig. 4.2 Pini servo, PWM (eng. Pulse Width Modulation) ……………………………………………36

Fig. 4.3 Arduino Uno…………………………..………………………………………………….…..37

Fig. 4.4 Senzorul TCS3200 cu convertor de lumina-frecvență cu matrice de 8×8 diode……………. 38

Fig. 4.5 Senzorul TCS3210 cu convertor de lumina-frecvență cu matrice de 4×6 diode……………. 38

Fig. 4.6 Diagrama bloc funcțională prntru senzorul TCS3200…….…………………………………. 38

Fig. 4.7 Dimensiuni RSY 5……………………………………………………………………………40

Fig. 4.8 Distanța între pini și schema de conexiuni…………………………………………………….41

Fig. 4.9 Pompă vacuum………………………………………………………………………………………………………….41

Fig. 4.10 Structura cinematica pentru robot de tip RRR……………………………………………………………..42

Fig. 4.11 Dispozitiv de prehesiune tip ventuză cu vid………………………………………………………………..43

Fig. 4.12 Date prelevate de senzor…………………………………………………………………………………………..44

Fig. 4.13 Conexiunea componentelor…………………………………………………………………………………….. 45

LISTA TABELELOR

Tabelul 1 Clasificarea roboților……………………………………..……………………………………10

Tabelul 2 Costul componentelor………………………………………………………………………………………………34

Tabelul 3 Funcții terminale ale senzorului…………………………………….…….…….…………. 39

Tabelul 4 Opțiuni selectabile le senzorului…………………….…………………….……….………. 39

Tabelul 5 Setarea și alocarea pinilor de pe Arduino………………………………………………………………….. 46

Introducere

În țari dezvoltate precum Japonia împarțirea vieți de zi cu zi cu un robot numai este o de mult o noutate. Cei ce beneficiază în mod special de progrsul roboților pot fi în mod special persoanele cu dizabilitați, oameni vartsnici dar și copii.

Roboți umanoizi capabili sa conunice să meargă să alerge, să se ghideze în spațiu și să relaționeze, brațe robotice de precizie superioară utilizte în intervenți chirurgicale, roboți industriali care înlocuiesc brațele a milioane de muncitori, roboți militatri capabili să detecteze și să dezamorseze bombe, roboți pentru explorare spațială, jucari care imită tot mai fidel diverse animale sunt câteva aplicați ale roboților care pâna nu de mult erau de domeniul SF-ului, imposibilului.

Cu toate acestea uni oameni privesc cu scepticizm evoluția roboților deoarece spre exemplu acoperirea unor segmente importante din industrie și servici de catre roboți ar putea provoca o creștere a șomajului. Pentru evitarea acetor inconveniente mecanizmele sociale trebuie să permită reconversia profesională.

Dincolo de aplicțile uimitoare ale roboților în diverse activități va trebui analizat impactul psihologic moral, cultural al utilizării lor pe scară largă, în viața socială, familială si economică.

Scopul

Proiectul iși propune crearea unei aplicați robotizate flexibile de sortare după culaoere care:

Din punct de vedere mecanic își propune: să fie funcțional, structură robustă, să permintă sichimbarea dispozitivului efeector;

Din punct de vedere hardware își propune: fiabilitate, schimbarea facilă a componentei hardware în caz de defectare, posibilitate de extindere;

Din punct de vedere software își propune: realizarea unui algoritm ușor de înțeles și de modificat, algoritm care să controleze mișcarile robotului astfel încat să nu producă coloziuni.

Motivația

Motivul alegeri acestei teme este aprofundrea teoretică cât și dobândirea unei experiențe practice necesare în eventualitatea continuarii studiilor sau în vederea angajari ca inginer în mediul industrial, preferabil în domeniul automotive. Interesul de realizare a unui robot capabil sa execute anumite operați ( sortare, manipulare) exista de ceva vreme, considerând ca acesta este momentul oportun pentru implementarea lui.

2 Generalități

În momentul de față robotul este considerat ca fiind rezultatul de varf al unor domeni precum mecanica, automatica, informatica, electronica și sisteme de acționare.

Ca o consecința, robotul este rezultatul evoluției a masinilor unelte automatizate, a mașinilor cu comandă program, a linilor automate de fabricație, etc. În momentul în care rigiditatea și inflexibilitatean nu au mai corespuns cerințelor de productivitate si calitate s-au facut demersuiri penru gasirea unei soluți superioare privind atat construcția și acționarea cât și conducerea lor.

Robotul poate fi definit ca un sistem tehnologic capabil să înlocuiească omul în exercitarea unor acțiuni diverse asupra mașinilor sau a linilor de producție, în medi greu accesibile sau neplacute, nocive pentru om.

Componentele fundamentale ale unui sistem robot sunt: spațiul de operare, sursa de energie, sursa de informație, robotul.

Spațiul de operare diferă în funcție de domeniul de lucru al robotului, de tipul aplicaților la care participă. Spațiul de operare este de definit de parametrii arhitecturii mecanice, și este restricționat de anumite elemente interne, mecanice sau elemente externe, obiecte aflate în procesul tehnologic

Suportul energetic (sursa de energie) pune în mișcare elementele mobile ale robotului și asigură alimentarea sistemului de acționare și a celui de conducere.

Sursa de informație specifică modul de operare al robotului, caracteristicile funcționarii, structura algoritmilor de conducere, în funcție de tipul operației, de modul de prelucrare a informației și de legatura robot/operator din procesul de operare. În futcție de legatură robotul poate avea funcționare automata, independent sau în asociere cu operatorul.

Robotul este constituit din două parți: unitatea de prelucrare a informației și unitatea operațională.

Unitatea de prelucrare a informatiei este un Hardware-software foaret complex ce primește date, iar unitatea operațională cuprinde structura mecanică și sistemul de acționate

Modul de acționare al robotului asupra spatiului de operare poate fi sub forme diverse:

Manipularea – deplasarea pieselor în anumite puncta;

Tratarea si prelucrarea unor produse;

Asamblarea/dezasamblarea unor componente;

Masurarea parametrilor specifici ai produsului sau a spatiului de operare

Operați de paletizare (Fig. 2.1, sudarea, vopsire a unor piese (fig. 2.2), etc.

Fig. 2.1 Celulă flexibilă robotizată de paletizare

Fig. 2.2 Celulă flexibilă robotizată de vopsire

2.2 Scurt istoric

Termenul de robot apare penru prima dată în 1920 în piesa de teatru Robotii universali ai lui Rosum publicata de scriitorul ceh Karel Capek. În ceha cuvântul robot înseamnă „muncitor, servitor”

În 1942 Isaac Asimov (om de siința American de origine rusă) a publicat o scurtă povestire, intitulată “Runaround”, în care a fost folosit pentru prima dată termenul “robotică” și în care a enunțat 3 reguli de bază ale roboților:

1.Un robot nu poate vătama o fință umană sau sa permită ca un om sa fie vătamat;

2.Un robot trebuie sa se supună ordinelor oamenilor cu excepția ordinelor care încalcă prima lege;

3.Un robot trebuie sa-și protejeze existența atata timp cat nu incalcă Legea 1 și Legea 2.

Aceste legi au fost preluate de oameni de ștință și de scriitori de Science Fiction ca principi de bază pentru existența unui robot.

Realizari importante din istoria și evoluția roboticii si a inteligenței artificiale:

1801 J. Jacquard a inventat un razboi de țesut ca o masina programabila.

În 1805 H. Maillardet a realizat o papușa mecanica ce putea sa deseneze.

În 1865 Johny Brainerd realizează o locomotive cu chip de om denumită “Omul cu aburi”.

În 1885 Frank Read “Omul electric” acest robot era dotat cu un proiector puternic iar din ochi îi ieșeau descarcari electrice.

1900 Luis Philip “Omul automat” un gigant care avea înaltimea de 2 metri construit din lemn metal și cauciuc.

În 1921 Karel Capek aduce în prim plan pentru prima dată termenul de „robot” în piesa Rossum’s Universal Robot.

În 1938 Willard Pollard și Harlod Roselund inventează o mașinărie de vopsit programabilă.

În 1954 G.C. Devol a inventat un automat pentru transferul programabil de articole, punând bazele conceptului de roboți industriali.

În 1960 Egelberger construiește robotul "Unimate" pe baza descoperiri lui Devol folosind o comanda hidraulica. Robotul era condus printr-o comanda numerica.

În 1961 Robotul "Unimate" este folosit de "Fard Motor Company" în cadrul deserviri unei matrițe.

În 1962 "Unimate" este ufolosit de "General Motors".

În 1966 Firma de origine norvegiană "Trallfa" a construit un robot folosit la vopsire.

În1968 Stanford Research Institute a realizat robotul mobil intitlat "Shakey", acesta ste dotat cu o mulțime de senzori tactili și camera de luat vederi.

În 1971 Stanford University a construit un braț robotic de mici dimensiuni, cu acționare electrică, cunoscut sub numele de "brațul Stanford".

În 1973 Stanford Research Institute constituie primul limbaj de programare pentru roboți în scopuri de cercetare, cunoscut sub denumirea de WAVE.

În 1974 Apare limbajul pentru roboți denumit AL. Ulterior, din cele 2 limbaje Victor Scheinman și Bruce Simano crează limbajul VAL pentru robotul Unimation.

Firma ASEA a realizat robotul IRb6, acționat în intregime electric.

În 1975 – Robotul "Sigma" este folosit pentru prima dată într-o operație de asamblare.

-În 1976 Prima folosire a roboților în cercetarea spațiului cosmic: la centrul spatial Kennedy se lansează sonda automată dotă cu brațul manipulator "Viking1 și Viking2".

În 1978 Firmele Unimation si General Motors realizează robotul PUMA (Programmable Universal Machinefor Assembly).

În 1979Yamanashi University din Japonia crează robotul SCARA (Selective Compliance Arm for Robotic Assembly).

În 1980 În Japonia apare primul robot semi-inte1igent cu acționare hidraulică, numit "WABOT".

În 1984 National Science Foundation" din SUA pune bazele proiectului APAS (Adaptable-Programmable Assembly System) care avea ca scop final realizarea unei linii flexibile de asamblare automată.

În 1997 Honda Motor Co realizează robotul umanoid P3.

În 1999 Sony realizează un cine robotul numit Aibo care cântarea 1,6kg.

În 2000 Honda realizeaza un alt robot umanoid denumit ASIMO

2.3 Definitii

Exista mai multe definiți a termenului “robot” date de unele dintre companiile constructoare sau asociațiile nationale din domeniu precum:

RIA (Robot Institute of America): "Robotul este un manipulator multifunctional, reprogramabil, destinat deplasarii materialelor, pieselor, sculelor sau altor dispozitive specializate prin miscãri variabile, programate pentru a îndeplini anumite sarcini."

JIRA (Japan Industrial Robot Association): "Robotul este un dispozitiv versatil și flexibil care ofera funcții de deplasare similare celor ale membrelor umanesau ale carui funcții de deplasare sunt comandate de senzori si de mijloace proprii de recunoaștere."

BRA (British Robot Association): "Robotul este un dispozitiv reprogramabil realizat pentru manipularea si transportul pieselor, sculelor sau altor mijloace de producție prin mișcări variabile programate pentru a îndeplini sarcini specifice de fabricație."

General Motors: "Robotul este un echipament fizic cu funcționare programabilă capabl să efectueze anumite operații si secvente de operații orientate spre manipularea de piese, scule, subansamble."

Robotul este un sistem mecatronic, capabil sa execute operații similare cu cele executate de om cu membrele sale (brațe, picioare), sub supravegherea ochilor sai, coordonarea între maini si picioare, coordonarea realizânduse prin creier.

Definiția data de roboți industriali (RI) de Organizația Internaționala a standardizarii în anul 1980 este urmatoarea:

Robotul este manipulatorul automat cu mișcari programabile multifuncțional având cateva grade de libertate și capabil sa efecueze operații de manipulare a materialelor pieselor instrumentelor sau dispozitivelor tehnologice speciale, prin programare variabilă a mișcarilor pentru realizarea unei varietați de funcții.

Conform ISO 8373 robotul industrial se defineste ca fiind un manipulator programabil controlat automat, reprogramabil, multiscop, cu trei sau mai multe grade de libertate, care poate fi fix dar si mobil, folosit în automatizarea aplicațiilor industriale.

Roboți industriali trebuie sa răspundă necesităților mediului industrial: flexibilitate (pentru a putea fi adaptați diferitelor serii de fabricație ), fiabilitate, cost cat mai redus, productivitate mare. Roboți industriali se folosesc în cadrul aplicaților industriale caracterizate prin cadență foarte mare, repetabilitate, aplicații în medi nocive.

Aplicațile în care care roboți au avantaje vizibile sunt: încărcarea si descărcarea mașinilor unelte cu comandă numerică, sudură prin puncte sau pe contur, turnarea în forme a pieselor mari, vopsire, operați de asamblare, controlul calitați, manipulare substanțelor toxice sau radioactive.

Flexibilitatea unui proces de fabricație se defineste ca fiind calitatea sistemului de fabricație aferent de a răspunde eficient la circumstanțe schimbătoare: de stare când sistemul funcționează în condiții variate cum sunt: ordinea operațiilor, trasee diferite, volum schimbător al producției etc. si de acțiune, care se referă la volumul schimbărilor necesare pentru modificarea condițiilor la masina de lucru, la dispozitivele de lucru etc.

2.4 Statistici

În 2014 vanzrile de roboți au crescut cu 29%, ajungand la 229,261 se unitați de departe cel mai înalt nivel înregistrat în decurs de un an. Vanzarile de roboți au crescut pentru toate industriile au crescut comaparativ cu 2013. Principalii factori care au povocat creșterea substanțială sunt industria auto și industria electronică/electrotehnică.

China și-a extins în mod considerabil poziția de lider cu o cota de 25% din totalul ofertei din 2014.

Din 2010 a urmat o crestere continua a cereri de roboți industriali datorită tendinței de automatizare și înbunatațirea continuă a tehnici inovatoare de roboți industriali. Media de creștere între 2010 și 2014 a fost de 17% pe an. Pe graficul urmator din fig 2.1 se observă prabusirea vanzarilor din 2009 datorate crizei mondiale înregistrânduse o scădere de aproape 50% fața de anul 2008.

Fig. 2.3estimarea la nivel mondial a vanzarii anuale de roboți industriali (2002-2014)

Cea mai importantă regiune în 2014 a fost asia de departe cea mai mare piata cu vanzari de aproximativ 139300 de roboți cu 41% mai mult decât în 2013. Europa a avut o crstere de 5% la aproape 45600 de unitați fiind a doua cea mai mare piața. America a avut o crestere de 8% fața de 2013 ajungand la 32600 de unitați.

Există cinci piețe majore, reprezentând 70% din volumul total al vânzarilor în 2014 în ordinea urmatoare : China, Japonia, Statele Unite ale Americii, Republica Corea și Germania.

China a avut o creștere de 56% față de 2013 ajungând la 57096 de unitați vandute. Creșterea înregistrată de China este cea mai rapidă creștere de pe piața la nivel mondial devenind de departe cea mai mare piață pentru roboți industriali. Între 2010 si 2014 China a avut o crestere de aproximativ 40% pe an.

Japonia esteal doilea lider la nivel mondial, în anu 2014 înregistrând o creștere de 17% aproape 29300 unitați, atingând cel mai înalt nivel de vanzari. Japonia între 2005(cu un varf de 44000 de unitați) și 2009 ( cand vânzarile au scazut la 12800) de unitați) a avut o tendința descrescatoare.

Statele Unite ale Americii au înregistrat de asemenea o creștere în 2014 de 11% atingand 26200 de unitați vandute.

Republica Corea a patra piața de roboți a avut o creștere de 16% atingând 24700 de unitați în 2014, al doilea cel mai mare nivel de dupa 2011 (25536 unități).

Vânzările au avut o creștere în 2014 și în Germania de 10% , ajungând la 20100 de unități, fiind cel mai mare număr înrgistrat vreodată în decurs de un an. Între 2010 si 2014 Germania a avut o creștere de aproximativ 9% pe an. Principalul motor al creșterii a fost industria auto.

Alte piețe asiatice importante :

Taiwan clasat pe locul 6 care a înregistrat o creștere considerabila între 2010 și 2014 de 20% pe an. În 2014 a avut o creștere de de 27% , atingând 6900 de unitați.

Thailanda este de asemenea o piață în creștere, reprezentînd 2% din vânzările la nivel mondial, cu aproximativ 3700 de unitați. Thailanda se claseaza pe locul 8 în lume în 2014.

Indonezia, Malaezia, Singapore și Vietnam înpreună au înregistrat 10140 de unitați în 2014, fața de 661 de unitați în 2013

Alte piețe europene inportante

Italia este a doua piața din europa dupa Germania. Italia deține locul 7 în 2014. Vânzarile au crescut cu 32% atingând 6200 de unitați în 2014. Acesta fiind cel mai înalt nivel înregistrat timp de un an dupa 2001. Acesta este un semn al redresarii economice în Italia

Piața franceză, de asemenea a înregistrat o creștere substanțială de 36%, ajungând la 3000 de unitați în 2014.

Spania a avut un regres al vanzarilor cu 16% , având 2300 de unitați vândute în 2014.

De asemenea vânzarile au scazut și în Regatul Unit, înregistând doar 2100 unitați în 2014.

Principalii factori de crestere a vânzari de roboți industriali: industria auto, industria electrotehnică și industria ecelctonică.

Cel mai important client al roboților industriali este industria auto care din 2010 a urmat un tren ascendent al investitiilor în roboții industriali din întraga lume. În anul 2014 atingânduse un nou vârf al roboților noi achiziționați, 98900 cu 43% mai mult decât în 2013. Investiții în noi capacități de producție pe piețele emergente, precum și investițiile în modernizarea producției în principalele țări producătoare de automobile au determinat numărul de instalații de robot să crească.

Vânzările de roboți pentru industria electrotehnică / electronică (inclusiv calculatoare și echipamente, radio, dispozitive de televiziune și echipamente medicale, de precizie și instrumente optice) a crescut considerabil în 2014, cu 34%, la 48,400 unități, stabilinduse un nou vârf. Cerere în creștere a produselor electronice și produse noi, precum și necesitatea de automatizare a producției au fost factori pentru o creștere a cereri roboților industriali.

Fig.2.4 Apoovizionarea anuală la nivel mondial cu roboți industriali pentru fiecare industrie

2.5 Clasificari ale roboților

Tabel 1 Clasificarea roboților

3 SRUCTURA UNUI ROBOT.

Prin structura unui sistem (hipersistem) se înțelege modul cum acesta este compus din

subsisteme (sisteme de rang inferior) și legăturile dintre acestea. Robotul este considerat un hipersistem, elementele sale sunt sistemul mechanic care are rolul scheletului uman (sistemului osos), sistemul de acționare, având rolul sistemului muschiular și sistemul de comandă, care joacă rolul sistemului nervos uman,

Un sistem este definit din modul cum este compus un sistem din subsisteme și legăturile dintre ele. Această dispunere a sistemelor din subsisteme este evidențiată prin scheme bloc, iar conexiunile dintre subsisteme sunt evidențiate prin matrici de cuplare (care stabilesc legăturile dintre intrari și ieșiri) și matrici de structură (care precizeză care subsisteme sunt în legătură). Un sistem de rangul unu este robotul.

Fig. 3.1 Schema bloc a structurii unui robot.

Sistemul unui robot este compus din următoarele elemente:

Sistemul mecanic al robotului care are ca model caracteristica sheletului uman, astfel acesta vizează natura si amplitudinea miscarilor ce se pot executa.

Sistemul de acționare are rolul sistemului mușchiular al omului si realizează mișcarea relativă a elementelor mecanismelor din sistemul mecanic.

Sistemul de comandă transmite comenzi către sistemul de acționare și prelucrează informații primate de la sistemul mecanic, de acționare și de la mediu, acesta joaca rolul sistemului nervos uman.

Senzorii preia informații despre starea „externă" a robotului, caracterizată prin parametrii mediului (temperatură, presiune, compoziție, luminozitate, umiditate, etc.) și acțiunea acestuia asupra robotului (forțe, cupluri, etc.), acesta prezintă rolul organelor de simț.

Traductorii și aparatele de măsură preia informații despre starea internă a robotului, cum ar fi: deplasări, viteze, accelerații relative, debite, presiuni, temperaturi, acesta de asemenea are rolul organelor de simț ale omului.

Platformele mobile prezintă rolul de deplasarea a roboților mobili și face parte din componența sistemului mecanic, cu rolul aparatului locomotor al omului.

Sistemul de conducere este un sistem de rang superior al sistemului mecanic și este structurat din sistemul de comandă și cel de acționare.

Prin "mediu" al robotului se întelege aria în care aesta acționează cu obiectele continute si porocesele care au loc în acest spațiu. Toate obiectele cu care robotul intercaționează reprezintă "periferia" acestuia.

Legaturile dintre componentele care realizează interactiunile cu mediul și componentele robotului sunt :

Directe

Inverse ("feed back").

Legături directe sunt prezente la sistemul de comandă atunci când sunt transmitse comenzi la sistemul de acționare, iar acesta acționează asupra cuplelor cinematice conducătoare, axele, sistemului mecanic care acționează asupra mediului cu efectorul final.

Legaturile inverse sunt informațiile transmise sistemului de comandă de catre traductoare, aparate de masură și senzori.

Mai este considerate legatură și fluxul de energie dat de mediu exterior sistemului de acționare al robotului, și fluxul de energie disipat de la robot la mediu.

3.1 Sistemul mecanic al unui robot

Sistemul mecanic asigură realizarea mișcari robotului și furnizează energei mecanică de care este nevoie pentru interacțiunea cu mediul. Componenta din sistemul mecanic dedicat pentru interacțiunea cu mediul este efectorul final

Fig. 3.2 Structura sistemului mecanic pentru un robot.

Sistemul mecanic este realizat din mai multe componente conectate între ele prin cuple cinematice.

Prin manipulare se întelege modificarea starii în spațiu a unui obiect. Cuvantul de manipulare provine de la utilizarea mâini de catre om. Manipularea unui obiect presupune modificarea starii bazei efectorului final, cu care efectorul este solidarizat.

Cel ce execută operațile de manipulare este efectorul final acesta este cunosut și sub denumirea de dispozitiv de prehesiune. Funcția lui este de fixare a obiectului cu partea de bază, asigurând obiectului o situare bine determinată menținută atat timp cat este necesar.

În cazul în care mecanizmul dispozitivului de ghidare prezită la bază lanțuri cinematice deschise, atunci acesta are topologie serială. Denumirea provine de la faptul că elementele lantului cuinematice deschise au o dispunere în serie.

Poziționarea sau orientarea uni corp în spațiul tridimensional este precizată de poziția punctului caracteristic, și a orientari dreptei auxiliare respectiv a dreptei caracteristice.

Prin punct caracteristic se întelege un punct al obiectului, în raport cu care este defintă poziția corpului. Prin dreaptă caracteristică se înțelege o dreaptă care trece prin punctul caracteristic. Prin dreaptă auxiliară se întelege o dreaptă pependiculară în punctul caracteristic pe dreapta caracteristică.

Cele doua drepte (dreapta caracteristică si cea auxiliară) definesc orientarea obiectului, de care aparțin dreptele.

Mecanismul generator de traiectorie sau mecanismul de poziționare realizează modificarea poziției punctului caracteristic și celălalt, mecanismul de orientare, realizează orientarea dreptelor auxiliar și caracteristic.

Mecanismul generator poate fi definit de traiectorie ca fiind brațul robotului.

Mecanismul de orientare de asemenea se poate defini ca fiind mecanizmul carpian (wrist) al robotului.

Variantele constructeive ale efectorului final pot fi :

Dacă efectorul final prelucrează obiecte atunci el este o sculă.

Dacă efectorul final miscă obiecte atunci se poate spune ca e manipulator.

Energia necesară sculei pentru prelucrare este transmisă prin intermediul unei surse separate de energie sau direct prin intermediul robotului, în această variantă efectorul este un cap de forță cu sculă. Capul de forță are un motor și în mod special o transmisie mecanică.

O altă componentă a sistemului mecanic este platforma mobilă care asigură o eventuală deplasare a întregului ansamblu.

Din perspectiva platformei mobile robotul poate fi caracterizat:

Robot stationar este atunci cand robotul nu prezinta platforma mobila;

Robot mobil este atunci când robotul conține platformă mobilă, în această situatie dispozitivul de ghidare modifică plasarea obiectului în raport cu platforma mobilă.

3.1.1 Mecanisme generatoare de traiectorie (MGT)

Punctul caracteristic își modifică poziția prin intermediul mecanismului generator de traiectorie parte componentă a dispozitivului de ghidare.

Mecanismul generator de traiectorie trebuie să aibă gradul de mobilitate trei, pentru că el realizează modificarea coordonatelor (X, Y, Z) ale punctului caracteristic.

Numărul structurilor posibile pentru mecanisme spatiale desmodrome este doi la puterea a treia, aceste variante fiind : TTT, TTR, TRT, TRR, RTT, RTR, RRT, RRR.

Unde cu T se noteaza cupla de tranzlație si cu R cupla de rotație.

În figurile urmatoare sunt prezentate schemele cinematice pentru mecanisme generatoare de traiectorie. Cele mai întalnite sunt: TTT, RTT, RRT și RRR.

Fig. 3.4 varianta TTT – robot în coordonate carteziene

Fig. 3.5 varianta RTT – robot în coordonate cilindrice.

Fig. 3.6 varianta RRT – robot în coordonate sferice

Fig. 3.7 varianta RRR – robot în coordonate polare

3.1.2Mecanismul de orientare

Mecanismul de orientare îndeplinește funcția de orientare a obiectului manipulat. Lanțul cinematic are maxim trei grade de libertate și cuplele cinematice conducatoare sunt numai cuple de rotație.

În cadrul mecanismului de orientare se pot identifica urmatoarele tipuri de mișcari:

Pronație – suspinație (ROLL) mișcarea în jurul axei Ox;

Flexie – extensie (PITCH) mișcarea în jurul axei Oy;

Aducție – obducție (YAW) mișcarea în juril axei Oz.

Fig. 3.8 Rotațiile mecanizmelor de orientare

3.1.3 Dispozitivul efector

Dispozitivele efectoare pot diferi extrem de mult în funcție de domeniul aplicației având în vedere scopul pentru care au fost proiectate:

Dispositive efectoare cu rol de prehensiune;

Dispositive efectoare pentru operați de sudură;

Dispositive efectoare pentru operați de vopsire;

Dispositive efectoare pentru prelucrari cu unelte specializate.

Dispozitive de prehesiune cu acționare unilaterală. Acest tip de efector acționează o singură față a obiectului manipulate și pot fi: dispositive de prehesiune de tip ventuză sau dispositive de prehesiune magnetice.

Fig. 3.9 dispositive de prehesiune de tip ventuză cu vid

În fig 3.9.a este reprezentată ventuza aderentă, în fig 3.9.b pompă de vid și în fig 3.9.c ventuză orientabilă și generator de vid cu ajustj.

Fig. 3.10 dispositiv de prehesiune magnetic

Dispozitive de prehesiune cu acționare bilaterală. Realizează prinderea obiectelor manipulate într-un sistem de pârghii articulate asemanatoare unui clește, forța de apăsare F fiind dependent de construcția mecanismului articulat si geometria obiectului manipulat.

Fig. 3.11 mecanismul de prehesiune bilateral cu caracteristică mecanică constantă

Dispozitive efectoare pentru operați de sudură

Fig. 3.12 dispozitiv efector pentru sudarea prin puncta

Fig.3.13 dispozitiv efector pentru operații de sudură pe contur

3.2 Sistemul de acționare

Acționarea presupune transmormarea energiei nemecanice în energie mecanică, în scopul punerii in mișcare relativă a unor elemente. Energia nemecanică pentru un sistem de acționare poate fi de urmatoarele tipuri: electrica, hidraulica, termica, diverse.

Operația de convertire a energiei nemecanice în energie mecanică se produce cu ajutorul unor echipamente specifice cum ar fi: electromagneți, turbine, motoare electrice, pompe, motoare hidraulice,motoare pneumatice, compresoare de aer. Transmiterea se poate face direct la elementele de execuție sau indirect, cu ajutorul unor transmisii mecanice.

Fig. 3.14 Schema bloc a unui sistem de acționare pentru un robot

Prin sistem de acționare se înțelege ansamblul motoarelor si convertoarelor prin care se obține energia mecanică necesară mișcarii cuplelor cinematice conducatoare.

Motoarele și a elementele de comandă se pot plasa:

local, în zona cuplelor cinematice;

umeral (la baza robotului) acționarea cuplelor făcânduse prin diferite transmisii mecanice.

Prima variantă de plasare adică cea locală prezită urmatoarele avantaje:

simplitatea structurii mecanice, datorită eliminari unor transmisii mecanice suplimentare;

este elimiată pierderea în transmisile mecanice suplimentare din acest fapt rezultă o creștere a randamentului acționari;

sunt eliminate jocurile intermediare dintre transmisia mecanică ce produce creșterea preciziei de poziționare;

pierderile de energie între elementul de comandă si motorul de acționare sunt eliminate;

Roboți și manipulatoarele prezintă urmatoarele tipuri de acționari: electrică, hidraulică, pneumatică si mixtă(electrohidraulică, electropneumatică).

3.2.1Acționarea electrica

Cel mai raspandit tip de acționare al roboților este acționarea electrică, datorita urmatoarelor avantaje:

disponibilitata cvasigenerală a energiei electrice;

construcție robustă si risc redus;

facilitatea racordarii moatoarelor electrice la rețeaua de distribuție a energiei electrice;

fiabilitatea motoarelor electrice;

compatibilitatea sistemului de comandă cu traductoarele și senzorii cei mai folosiți.

Dezavantajul acestui tip de acționare este utilizarea frecventă a unor transmisii mecanice adaptarea forței generalizate de ieșirea din motor și a vitezei la cerințele cuplelor cinematice conucătoare.

În cadrul acționarilor electrice se întalnesc urmatoarele tipuri de motoare:

motoare de curent continu folosite pentru acționarea cuplelor cinematice conducătoare, acestea având avantajul unei reglari facile a vitezei unghiulare

Fig. 3.15 motor de curent continu

motoare electrice pas cu pas asigură o poziție exacta dar au ca dezavantaj un moment motor micșorat la o frecvență mare a inpulsurilor;

servomotoare de curent continu are avantajul unor dimensiuni mai mici, a unor momente de inerție masice ale rotoarelor mai reduse;

motoare electrice trifazate – utilizate din ce în ce mai des.

3.2.2Acționarea hidraulica

În ani 80 acționarea hidraulică era cea mai raspândită, în momentul de față acest tip de acționare se utilizează la roboții care manipulează sarcini mari sau care lucrează în medi cu risc ridicat de explozie. În prezent 40% din parcul mondial de roboți industriali folosește acționae hihraulica

Agentul de lucru este uleiul hidraulic, la presiuni cuprinse între 20 si 200 de bari, dezvoltă forțe și momente ridicate, la gabarite mici ale motoarelor.

Avantajele sistemelor hidraulice sunt:

Compresibilitate mult mai redusă a agentului hidraulic, ceea ce oferă rigiditate sistemului de acționare;

Proprietațile de bun lubrifiant reduc uzura componentelor sistemului hidraulic;

Se poate utiliza în medi explosive;

Timpul de raspuns este mic iar precizia este foarte bună;

Fluidul hidraulic este un bun lubrifiant și agent de racier;

Raport bun între greutatea elementelor de execuție și puterea dezvoltată

Dezavantaje:

Randament global mai scazut decât acționarile electrice;

Necesitatea conductelor și furtunelor de alimentare, care provocă probleme la etanșearea elementelor;

Elementele hidraulice sunt greu de realizat la o scală mai mică deoarece sunt necesare secțiuni de circulare a fluidului, alese în funcție de presiunea și debitul de lucru

Necesita unitați de producer aenergiei hidraulice.

Motoarele hidraulice cele mai utilizate sunt cele cu forma liniară și pot fi:

Cu simplă acțiune: cu piston (fig 3.11.a) sau cu plunjer (fig 3.11.b)

Fig. 3.16 motoarele hidraulice liniare cu simplă acțiune

Cu dubla acțiune: cu tijă unilaterală (fig 3.12.a) sau cu tijă bilaterală(fig 3.12.b)

Fig. 3.17 Motoare hidraulice liniare cu dublă acțiune

Din punct de vedere constructiv motoarele hidraulice rotative sunt:

motoare oscilante cu plunjer;

motoare oscilante cu paletă;

cu pistoane radiale;

cu pistoane axiale;

cu roti dințate ;

cu palete.

Limitarea dimensiunii curselor se poate realiza macanic, prin tampoanarea rigidă sau electromecanic, capetele de cursa fiind definite de poziționarea adecvată a unor sesizoare.

Componentele principale ale unei acționari hidraulice sunt:

apareate de transformare si de producere a energiei hidraulice (motoare hidraulice, pompă hidraulică);

aparate de menținere a calitați agentului hidraulic (aparate de filtrare);

distribuitoarele.

Distribuitoarele hidraulice controlează energia hidraulică transmisă catre elementele de execuție. Acestea pot fi: distribuitoare de comandă, distribuitoare proporționale și sevodistribuitoare.

3.2.3Acționarea pneumatică

Acționarea pneumatică a roboților folosește ca purtator de energie aerul comprimat. Acționarea pneumatică reprezintă 4% din totalul acționarilor folosite la roboți.

Acest tip de acționare s-a utilizat pe scară largă la acționatea mainilor mecanice și a manipulatoarelor pentru sarcini reduse.

Acționarea pneumatică prezintă urmatoarele avantaje:

soluție de acționare economică;

simplitatea schemelor de comandă-reglaj;

motoare fara pericol de avarii;

pericol redus de accidente;

întretinere ușoară și nepoluarea mediului;

existența rețelei de aer în întreprinderi.

Dezavantaje:

aerul are compresabilitate mare în incinta camerelor motoare și a conductelor;

apariția unor șocuri mecanice la capetele curselor pistoanelor cilindrilor pneumativi;

producerea unor zgomote la deversarea în admosfera a aerului de retur;

depunerea condensului de apă în incintele aparatelor de execuție.

3.3 Sistemul de comandă al robotului

Rolul sistemului de comandă al unui robot este echivalent cu rolul sistemului nervos. Sistemul nervos realizează legatura între organelle aparatale și sistemele organismului.

Echivalentu organelor de simț sunt traductoarele și senzori, care prelevează și transmit informatiile de la mediul exterior și de la sistemele interne ale robotului.

3.3.1 Traductoare și senzori utilizați în construcția roboților

Pentru o funcționare corectă a sistemului de comandă sunt necesare informați despre starea externă și starea internă a sistemului robot acestea sunt oferite de catre senzori și traductore.

Senzori citesc și transmit informatii despre marimi necinematice: situarea unui obiect, recunoașterea formei sau a culorilor, efecte stohasitice ale mediului.

Traductori preleveaza si transmit informați despre marimi cinematice cum ar fi: viteze, deplasări, accelerații.

Senzorii și traductoarele trebuie să îndeplinească urmatoarele condiți:

prelucrarea primară a informației;

rezistență la șocur, praf; suprasarcini, aegnți corozivi;

semnal primar corespunzator;

fiabilitate;

Senzori

Un sensor poate fi considerat o „cutie neagră“ căreia i se aplică la intrare o marime fizică, ieșirea fiind un semnal electric adecvat pentru transmiterea către sistemul de comandă.

Fig.3.18 Schema bloc a unui senzor cu semnalele de intrare/ieșire

În cadrul operaților de manipulare roboții industriali trebuie sa fie capabili să identifice, în condiți și limite bine definite ai parametrilor mediului ambient și să reacționeze la modificările acestora.

În cadrul roboților se întalnesc urmatoarele variante de senzorii:

Senzori de proximitate (pneumatici sau ultrasonici);

Tactili / tactili de alunecare;

Video;

De existență (întrerupător);

De radiații;

De presiune, de temperatură;

De forță (sau de moment).

Traducoarele

Un traductor este un dispozitiv care convertește efecte fizice în semnale electrice, ce pot fi prelucrate de instrumente de măsurat sau calculatoare.

Traductoarele de deplasare, poziție pot fi:

numerice care pot fi:

incrementale (de deplasare):

de rotație cu sistemul de măsurare electric, optic;

de translație cu sistemul de măsurare electric, optic.

absolute (de poziție):

de rotație cu sistem de măsurare electric, optic;

de translație cu sistem de măsurare electric, optic.

2) analogice care pot fi:

ciclic absolute (de deplasare):

de rotație, cu sistem de măsurare inductiv (numit rezolver);

de translație, cu sistem de măsurare inductiv (numit inductosyn).

analog absolut (de poziție)

de rotație, cu sistem de măsurare inductive (cascada de rezolvere);

de translație cu sistem de măsurare inductiv (inductosyn multiplu);

de rotație și translație cu sistem de măsurare rezistiv (potențiometru);

de rotație și translație cu sistem de măsurare capacitive (condensator);

Traductoarele de deplasare emit la ieșire semnale direct proporționale cu marimea relativă a deplasării, ca distanța dintre coordonatele finale și coordonatele inițiale a elementului mobil.

Traductoarele de poziție oferă un semnal proporțional cu marimea absolută a deplasării, exprimat ca valoare a coordonatelor poziției finale a elementului mobil fața de originea coordonatelor.

3.3.2 Comanda manuală, automată și mixtă a roboților

Așa cum se observă în titlul acestui subcapitol, comanda roboților poate fi de trei feluri: manual, automata si mixtă.

Comanda manuală se poate realiza fie prin butoane sau întrerupatoare (atunci cand se pornește/oprește alimentarea motoarelor care acționează cuplele cinematice conducatoare, ori prin manete (joy-stick) care au între 1 și 3 grade de libertate, sau prin copiere atunci când operatorul uman generează mișcarea iar robotul o execută.

Comanda instalaților de teleoperare este manual (prin butoane si manete). Comanda manipulatoarelor sincrone se realizează prin copiere. Acestea sunt constituite din doua lanțuri cinematice identice un lanț avand denumirea de “master” (stapân) iar cealălaltă de “slave” (sclav). Lanțul “slave” copiază mișcarea lanțului “master” mișcarea realizanduse “in real time”(eng. în timp real).

Prin “feedback“ operatorul uman este informat pentru a-și putea adapta comenzile la condițile de mediu în care operează lanțul “slave” sau instalațile de teleoperare.

Sistemul de conducere automată a roboților

Structura unui sistem de conducere este reprezentat în fig. 3.19

Fig. 3.19 structura unui sistem de conducere

Setul de informații se codifică printr-un program, care este realizat de unul sau

mai mulți operatori umani și conține:

informați si date ce privesc diferiți parametrii din proces;

porniri și opriri;

“jumps” (sarituri) peste părți de program unde este cazul;

conecțiuni logice de tip “if”;

instrucțiuni de interogare a senzorilor, traductorilor.

3.3.3 Programarea roboților

Programarea se poate face:

în prezența robotului (programare “on-line”) procesul tehnologic pe care îl servește robotul nu este în stare de funcționare;

în afara procesului (programare “of-line”) încărcarea programului facânduse la momentul oportun, avantajul acesteui tip de programare ese faptul ca poate funcționa proceocesul tehnologic fară a pierdere timp precum în cazul programarii “on-line”.

Introducerea programului poate fi:

prin instruire (“teach in”, învațare). Programarea prin instruire se face “online”;

manual, prin console, întrerupatoare, joystick-uri, tastaturi cu monitoare etc. Programarea manuală se face “of-line”.

Programarea prin instruire presupune conducerea deirectă a efectorului final de către operator, mișcările fiind în conformitate cu necesitatea procesul servit. În cadrul programari prin instruire sistemul de acționare este decuplat. Mișcarile relative sunt memorate cu ajutorul traductoarelor de poziție.

Programarea “of-line” poate fi:

programare implicită, atunci când se folosec limbaje de programare special concepute, acest tip de programare devenind în ultimul tot mai des utilizat.

programarea explicită, acest tip de progaramare are dezavantajul complexitați și dimensiunilor mari.

Prin limbaj de programare se înțelege: un mijloc de comunicare, dialogare între operator și un sistem intelligent.

Clasificarea limbajelor de programare se poate face după gradul lor de complexitate fiid grupate pe 4 nivele:

limbaje de nivel 1 (limbaje de control a cuplelor cinematice);

limbaje de nivel 2 (destinate controlului efectorului final);

limbaje de nivel 3 (programare structurată);

limbaje de nivel 4 (programare orientată pe scop).

Programele se pot clasifica dupa modul de lucru al robotului în programe segvențiale de tip: punct cu punct (PTP), multipunct (MP) și cel de tip traiectorie continuă(CP) a punctului caracteristic.

Programarea segvențială are ca avantaj folosirea unei conduceri simplificate. Dezavantajul este că durata de timp până la atingerea punctului țintă este destul de mare.

Programarea punct cu punct (point to point) de regulă acest tip de programare este folosit atunci când nu este necesară impunerea unei anumite traiectori între punctul inițial și punctul țintă, mișcarile se doresc a fi simultan pentru toate axele, singura condiție este să nu se producă coliziuni în timpul mișcari.

Fig. 3.20 Programarea de tip PTP

Pentru programelele multipunct (MP) este impusă trecerea punctului caracteristic din

punctul curent A (fig.6.84.) în punctul N printr-un anumit număr de puncte de precizie (de la C la L). Astfel este asigurată o deviație minimă a traiectoriei reale față de cea ideală. Această deviație este cu atât mai mică cu cât se impune trecerea punctului caracteristic prin mai multe puncte de precizie.

Un caz de aplicare al programari multipunct este comanda robotului care realizează vopsire.

Fig. 3.21 Programarea de tip MP

Programarea de traiectorie continuă (CP) este folosită în aplicațile tehnologice unde este solicitată o traiectorie pe care trebuie să o urmeze punctul characteristic. Acest tip de programare se folosește de exemplu în operația de sudura unde este necesar depunera unui cordon de sudura intr-un rost

Componenta care coordonează sistemul de comandă al robotului este unitatea centrală de prelucrare. Aceasta asigură funcțile prezentate în Fig. 3.22

Fig. 3.22 Functiile unitați centrale de prelucrare

Comanda automată a robotului presupune planificarea și generarea traiectoriei și controlul mișcărilor, în mod automat, de către sistemul de conducere al robotului.

Scopul planificării traiectoriei este de a se stabili punctele țintă impuse de catre procesul servit și de a impune ca miscările între aceste puncte să fie lipsite de coliziuni. Acestea se realizează utilizând interblocările în acest sens.

Prin interblocare se înțelege condiționarea logică a începerii și a sfârsitului miscării unor componente (subsisteme) ale SFF, de începutul/sfârsitul miscării unei altei componente sau realizării/nerealizării unei anumite stări exterioare.

Generarea traiectoriei este realizată de un software sau un calculator dedicat din cadrul unității centrale de prelucrare a informației a robotului, care poartă numele de „generator de traiectorie”. Acesta, pe baza unor algoritmi prestabiliți calculează valorile numerice discrete pentru funcțiille de conducere, la intervale de timp constante, care poartă denumirea de perioade de generare.

4 REALIZAREA PRACTICĂ

Pași care au fost urmați în cadrul proiectului au fost:

stabilirea și achiziționarea componentelor hardware necesare în funcție de buget;

realizarea structuri mecanice ;

asocierea sistemului de acționare;

inplementarea deispozitivului efector înpreuna cu senzorul de culoare;

conexiunea componentelor la sursa de alimentare și la placa de dezvoltare Arduino Uno;

4.1 Detalierea componentelor hardware

Compnentele hardware în marea majoritate au fost comandate pe http://www.ebay.com/ din China. De ce din China? Este foaret simplu deoarece costă mai puțin comparabil cu prețul din Romania. Singurul dezavantaj este durata de timp pâna la livrare este de aproximativ o luna (destul de mare), dar pentru mine nu a fost o problemă deoarece le-am comandat din timp.

Tabelul 2 Costul componentelor

Costul total fiind de 146.4 lei

4.1.1 Servomoror MG996R

MG996R este o versiune imbunatatita a precedentului model MG995, înbunatațirile aduse au crescut rezistența la șoc si a impermeabilității, PCB și IC au fost reproiectate din acest fapt sistemul de controlul este mult mai precis decât cel al predecesorului său. Acesta dezvoltă un cuplu ridicat și dispune de un angrenaj metalic care îi oferă o fiabilitate ridicată

Fig. 4.1 Dimensiunile servomotorului MG996R

Specificati:

Dimensiuni: 40,7 x 19,7 x 42,9 mm;

Greutate: 55g;

Cuplu standard: 9.4kgf · cm (la 4,8 V), 11 KGF · cm ( 6 V );

Viteza de operare : 0,17 s / 60º ( 4,8 V ) , 0,14 s / 60º ( 6 V );

Tensiune de operare între 4,8 V și 7,2 V;

Curent standard 2.5A (6V);

Interval de temperatură: 0 ° C – 55 ° C;

Banda moartă cu: µs.

Servomotorul are trei pini: pinul portocaliu este pinul de semnal PWM (eng. Pulse Width Modulation), cel de culoare rosu este pinul de alimentareVcc, iar cel de culoare maro este masa (eng. “ground)

Fig. 4.2 Pini servo, PWM (eng. Pulse Width Modulation)

4.1.2 Arduino Uno

Arduino Uno este o placa de dezvoltare ce se bazează pe microcontrollerul ATmega328. ARDUINO UNO are 14 pini digitali de intrari/ieșiri (din care 6 se pot utiliza ca iesiri PWM), 6 intrari analogice, un oscilator cu quart de 16 MHz, o mufa de alimentare, o conexiune USB, o mufa ICSP si un buton de resetare.

Fig. 4.3 Arduino Uno

La nivel conceptual, când este folosesit mediul de dezvoltare integrat IDE (eng. Integrated Development Environment) Arduino, programarea tuturor plăcuțelor se realizează prin conexiune serială. Implementarea diferă în funcție de versiunea hardware. Unele plăcuțe Arduino au implementate convertoare de nivel logic pentru a realiza conversia între nivelele logice RS-232 și cele TTL. Plăcuțele Arduino din prezent sunt programate prin USB, având integrate cipuri de conversie USB-serial, cum ar fi FTDI FT232. Unele modele UNO, mai noi, folosesc un cip AVR separat programat să funcționeze ca un convertor USB-serial, care poate fi reprogramat printr-un port ICSP dedicat. Limbajul de programare pe care Arduino îl folosește este C.

Placa de dezvoltare poate funcționa pe o sursă externă cuprinsă între 6-20 volți. Dacă se alimentează la mai puțin de 7V, este posibl ca pinul de 5V să furnizeze mai puțin de cinci volți și placa sa fie instabilă, iar dacă tensiunea de alimentare depașește 12V, regulatorul de tensiune se poate supraâncălzi acest lucru putând să ducă la deteriorarea plăci. Din acest motiv tensiunea recomandată de producător este de 7V-12V.

Memoria ATmega328 are 32KB, de asemenea 2KB SRAM și 1KB de EEPROM.

4.1.3 Senzor TCS3200, TCS3210

TCS3200, respectiv TCS3210, convertoarele programabile de lumină – frecventă care combină fotodiode configurate din silicon și un convertor curent – frecvență pe un singur circuit integrat CMOS monolitic. La ieșire se obține o undă de semnal pătrată (eng. square) cu un ciclu de 50%, având o frecvență direct proporțională cu intensitatea luminii (de iradiere).

Frecvența de ieșire la scară completă poate fi scalată cu una dintre cele trei valori prestabilite prin intermediul a doi pini de intrare de control (S0, S1). Intrările și ieșile digitale permit interfațarea directă la un microcontroler sau alte circuite logice. Ieșirea (eng. Output Enable OE) plasează ieșirea în starea de înaltă impedanță pentru mai multe unități de partajare a unei linii de intrare în microcontroller.

În cazul senzorului TCS3200, convertorul de lumină-frecvență citește o marice de 8×8 diode. Din care 16 fotodiode au filter rosi, 16 fotodiode au filtre verzi, 16 fotodiode au filtre albastre iar celelalte 16 fotodiode sunt fara filter.

Pentru senzorul TCS3210 matricea din fotodiode a convertorului de lumină-frecvența are dimensiunea 4×6. De data aceasta sunt cate 6 fotodiode pentru fiecare tip de filtru.

Cele patru tipuri de fotodiode sunt integrate pentru a reduce efectul neuniform al iradianței. Toate fotodiodele de aceeași culoare sunt conectate în paralel. Pinii S2 și S3 sunt utilizați pentru a selecta care dintre grupurile de fotodiode (roșu, albastru, verde, transparent) devine activ. Fotodiodele au dimensiunea de 110 x 110 μm și de 134 μm la centru.

Fig. 4.4 Senzorul TCS3200 cu convertor de lumina-frecvență

cu matrice de 8×8 diode

Fig. 4.5 Senzorul TCS3210 cu convertor de lumina-frecvență

cu matrice de 4×6 diode

Fig. 4.6 Diagrama bloc funcțională

Tab. 4.1 Functii Terminale

Tabelul 3 Funcții terminale ale senzorului

Tabelul 4.4 Opțiuni selectabile le senzorului

4.1.4 Releu RSY 5

Fig. 4.7 Dimensiuni RSY 5

Fig. 4.8 Distanța între pini și schema de conexiuni

Date generale

Timp de activare – max 4ms;

Timp de eliberare – max 3ms;

Intervalul de temperatură -25C ~ +50C:

Curentul maxim de comutare – 1A;

Greutate – 2,2 grame.

4.1.5 Pompă de vacuum

Fig. 4.9 Pompă vacuum

Descriere

Specificați motor: 15.4 * 20 MM (180 motor);

Inalțime: 32 MM;

Tensiune de alimentare: 3V-4,5V;

Curent: 1.1A – 1.5A

Greutate: 45g

4.2 Structura mecanică

Sistemul mecanic al robotului asigură realizarea miscărilor acestuia si transmiterea energiei mecanice necesare interacțiunii cu mediul.

Materialul din care este realizată structura mecanică trebuie să fie în primu rand ușor dar în același timp rigid și ușor de prelucrat. Din acest motiv am ales aluminiu, nu este la fel de ușor precum plasticul dar este mai rigid și mai usor de prelucrat.

Am folosit doua bare de aluminiu cu diametru de 1,5 cm fiecare, lungimea uneia este de 20cm iar cealălaltă este de 14 cm. La cele doua capete au fost presate cu ajutorul unei prese pentru a se amplasa cu usurință servomotoarele, despozitivul efector, si senzorul de culoare.

Schema cinematică a robotului este de tip RRR – robot în coordinate polare în plan care conține axa cuplei de rotație A, si respectiv planul care este perpendiculară pe axa cuplei de rotație A

Fig. 4.10 Structura cinematica pentru robot de tip RRR

4.3 Sistemului de acționare;

Acționarea presupune transmormarea energiei nemecanice în energie mecanică, în scopul punerii in mișcare relativă a unor elemente.

Tipul sursei de energie folosită pentru transformare în energie nemecanică este energia electrică prin urmare cele ce realizează conversia din energie electrică în energie mecanică în cazul meu este servomotoru.

Un servomotor este un element de acționare rotativ sau liniar, care permite controlul precis al poziției unghiulare sau liniare, viteza și accelerația. Este compus dintr-un motor cuplat la un senzor care permite citirea poziției. De asemenea este nevoie de un controller relativ sofisticat, de multe ori este utilizat un modul proiectat special pentru servomotoare.

Mecanizmul servomotorului

Servomotorul este un mecanism care operează în buclă închisă care transmite în permanența date în legătura cu pozitia sa, pentru a putea controla poziția de mișcare și poziția finală.

Motorului îi este asociat un traductor (encoder) care în cel mai simplu caz asigură doar poziția, encoderele optice rotative asigură și masurarea vitezei arborelui. Poziția comandată este comparată cu poziția la momentul respective, luânduse o decizie în ce sens este nevoie de rotire pentru a ajunge în poziția corespunzatoare. După ce sa atins poziția dorită semnalul este 0 în acel moment este oprită alimentarea motorului.

Tipul traductoarelor folosite de servomotoare sunt:

traductoare absolute acestea își pot determina poziția inițiala dar sunt complicate și costisitoare;

traductoarele incrementale prezintă simplitate cosntructivă, cost mai redus și sunt capabile de operare la viteze superioare;

Avantajele servomotorului:

nu necesită folosirea driverelor

controlul facil cu ajutorul plăcuței Arduino Uno

precis în execuție

dezvolta un cuplu rezonabil în ciuda dimensiunilor reduse

4.4 Inplementarea deispozitivului efector înpreuna cu senzorul de culoare

Dispozitivele efectoare se aleg în funcție de domeniul aplicației.

Pentru aplicația de sortare am ales dispozitivul de prehesiune cu acționare unilaterală de tip ventuză. Acest tip de efector acționează o singură față a obiectului manipulat fiind ideal în cazul meu doarece nu este posibilă prinderea unui cartonași cu un griper sau chiar dacă ar fi posibilă ar afecta forma caronașului acest lucru fiind de evitat.

Fig. 4.11 Dispozitiv de prehesiune tip ventuză cu vid

Dispozitivul de prehesiune are în componența sa ventuza și pompa de vacuum.

Pentru controlul pompei de vacuum este folosit un releu care permite conectarea la plăcuța Arduino.

Senzorul este ales si el în funcție de cerințelor aplicației, în cazul meu aplicația necesită sortare după culoare, prin urmare este necesar un senzor de culoare.

Senzorul este plasat lânga dispozitivul de prehesiune deoarece acesta trebuie sa fie la o distanța mică de cartonași în momentul prelevari datelor.

În figura următoare sunt prezentate datele prelevate de sensor cu ajutorul funției de monitorizare serială oferită de mediul de dezvoltare integrat Arduino IDE (eng. Integrated Development Environment)

Fig. 4.12 date prelevate de senzor

În figura 4.11 sunt ilustrate 5 cazuri de date prelevate de senzor în funcție de aceste cazuri robotul execută diferite mișcari:

În primul caz senzorul nu identifică culoarea, în acest caz robotul se duce în poziția inițială după care revine din nou deasupra pachetului de cărți pentru prelevarea datelor de catre senzor.

În al doilea caz senzorul indică roșu, în acel moment se activează vacumul și se deplasează în poziția indicată prin program pentru depozitarea cartonașului roșu, după dezactivează vacumul apoi se duce în pozitia inițială de unde se repetă operația.

În cazul trei senzorul indică albastru lafel ca în cazul doi se activează vacumul, apoi se deplasează în poziția indicată prin program pentru depozitarea cartonașului albastru apoi se duce în pozitia inițială de unde reâncepe operația de sortare.

În cazul patru senzorul indică verde, similar ca în cazul doi și trei se activează vacumul, apoi se deplasează în poziția indicată prin program pentru cartonașele de culoare verde apoi se duce în pozitia inițială de unde reâncepe operația de sortare.

În cazul cinci senzorul indică galben atunci robotul se duce în poziția inițială unde așteaptă 10 secunde pentru realimentarea cu cartonașe.

4.5 Conexiunea componentelor la sursa de alimentare și la placa de dezvoltare Arduino Uno;

Fig 4.13 Conexiunea componentelor

Conexiunea tuturor componentelor este prezentată în figura 4.12.

Conexiunea servomodoarelor presupue o dată conectarea la un pini de pe plăcuță care poate utiliza la ieșire PWM (eng. Pulse-Width Modulation) și conexiunea la tensiunea de alimentare de 6V.

Pulse-With Modulation este o tehnică de modulație utilizată în majoritatea sistemelor de comunicație pentru codarea amplitudinii unui semnal într-o lațime de impuls sau durată a unui alt semnal. Pe scurt permite controlul energiei furnizate dispozitivelor electrice.

Conexiunea senzorului la arduino necesită 5 pini digitali iar alimentarea se realizează tot de pe plăcuța deoarece tensiunea și curentul de la bateri este prea mare, existând riscul să se defecteze.

Setarea și alocarea pinilor de pe placuța de dezvoltare Arduino Uno

Tabel 5 Setarea și alocarea pinilor de pe Arduino

5 Concluzii

Construcția unui robot necesită cunoștințe din diferite domeni ( mecanică, automatică, programare, electronică

Bibliografie

Kovacs Fr., Țarcă R., Blaga Fl., Tripe V. A., Sisteme de Fabricație Flexibilă, Editura Universității din Oradea, 1999.

Mircea Nițulescu, Sisteme flexibile de fabricație, Reprografia Universitații din Craiova, Craiova 1997

Ivanescu Mircea, Sisteme avanste de conducere robotică, Editura Scrisul Românesc, Craiova 2003

Abrudan, I., Sisteme flexibile de fabricație – Concepte de proiectare si management, Editura Dacia, Cluj – Napoca, 1996.

Kovacs, Fr., Cojocaru, G., Roboții în acțiune. Sisteme flexibile de fabricație si fabricația de serie, Ed. Facla, Timisoara,1985.

Pop Emil, Egri, Angela, Leba Monica Sisteme de conducere a roboților industriali, Editura Didactică și Pedagogică, București 2001

Referințe web

http://www.worldrobotics.org

www.automation.com.

http://www.ifr.org/industrial-robots/statistics/

https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno

https://en.wikipedia.org/wiki/Industrial_robot

http://imt.uoradea.ro/mecatronica/doc/Sisteme%20flexibile%20de%20fabricatie%20-%20Curs%20-%20Tarca%20Radu.pdf

8 Codul sursă

#include <VarSpeedServo.h>

VarSpeedServo servo1; //creare obiect

VarSpeedServo servo2;

VarSpeedServo servo3;

const int servo1Pin=9;

const int servo2Pin=10; //declarare pini pt cele 3 servo

const int servo3Pin=11;

int OutPut= 6;//pin out de pe senzor

unsigned int frequency = 0;

int rColor;

int gColor;

int bColor;

#define releu 7 //pin releu

void setup() {

// put your setup code here, to run once:

servo1.attach(servo1Pin);

servo2.attach(servo2Pin);

servo3.attach(servo3Pin);

pinMode(releu, OUTPUT); //setare pinul 7 ca OUTPUT pentru releu

Serial.begin(9600);

pinMode(2, OUTPUT); //setare S0 de pe senzor pe pinu 2 ca OUTPUT

pinMode(3, OUTPUT); //setare S1 de pe senzor pe pinu 3 ca OUTPUT

pinMode(4, OUTPUT); //setare S2 de pe senzor pe pinu 4 ca OUTPUT

pinMode(5, OUTPUT); //setare S3 de pe senzor pe pinu 5 ca OUTPUT

pinMode(6, INPUT); //setare Out de pe senzor pe pinu 6 ca INPUT

digitalWrite(2,HIGH);

digitalWrite(3,LOW);// scalare frecvența de ieșire la 20%

delay (10);

}

void loop() {

servo1.write(20,20,true);

delay(10);

servo2.write(70,15,false); //pozitie initiala brata

delay(10);

servo3.write(70,15,true);

delay(1000);

servo2.write(26,15,false);

delay(10);

servo3.write(125,15,true);

delay(1000);

senzor();

}

void senzor(){

digitalWrite(4,LOW);

digitalWrite(5,LOW);//setare pentru culoarea rosie

frequency = pulseIn(OutPut, LOW);//citire frecvența

rColor=frequency;

rColor=(255-rColor);

digitalWrite(4,HIGH);

digitalWrite(5,HIGH);// setarea pentru culoarea verde

frequency = pulseIn(OutPut, LOW);// reading frequency

gColor=frequency;

gColor=(255-gColor)

digitalWrite(4,LOW);

digitalWrite(5,HIGH);// setting for BLUE color sensor

frequency = pulseIn(OutPut, LOW);// reading frequency

bColor=frequency;

bColor=(255-bColor);

if (rColor > bColor && bColor > gColor) //condiția pentru culoarea rosie

{

Serial.print("rosu- ");

afisre();

digitalWrite(releu, HIGH);

delay(500);

servo2.write(70,15,false);

delay(10);

servo3.write(70,15,true);

delay(1000);

servo1.write(150,20,true);

delay(10);

servo2.write(25,15,false);

delay(10);

servo3.write(125,15,true);

delay(500);

digitalWrite(releu, LOW);

delay(500);

servo2.write(70,15,false);

delay(10);

servo3.write(70,15,true);

delay(10);

}

if (gColor > bColor && bColor > rColor ) // condiția pentru culoarea verde

{

Serial.print("verde- ");

afisare();

digitalWrite(releu, HIGH);

delay(500);

servo2.write(70,15,false);

delay(10);

servo3.write(70,15,true);

delay(1000);

servo1.write(100,20,true);

delay(10);

servo2.write(25,15,false);

delay(10);

servo3.write(125,15,true);

delay(500);

digitalWrite(releu, LOW);

delay(500);

servo2.write(70,15,false);

delay(10);

servo3.write(70,15,true);

delay(10);

}

if (bColor > gColor && gColor > rColor) condiția pentru culoarea albastru

{

Serial.print("albastru- ");

afisare();

digitalWrite(releu, HIGH);

delay(500);

servo2.write(70,15,false);

delay(10);

servo3.write(70,15,true);

delay(1000);

servo1.write(50,20,true);

delay(10);

servo2.write(25,15,false);

delay(10);

servo3.write(125,15,true);

delay(500);

digitalWrite(releu, LOW);

delay(500);

servo2.write(70,15,false);

delay(10);

servo3.write(70,15,true);

delay(10);

}

if (rColor > gColor && gColor > bColor) // conditia pentru culoarea galben

{

Serial.print("galben- ");

afisare();

servo2.write(70,15,false);

delay(10);

servo3.write(70,15,true);

delay(10000);

}

delay(500);

}

void afisare(){

Serial.print("R=");//printing name

Serial.print(rColor);// printare fregvența pentru roșu

Serial.print(" ");

Serial.print("G=");// printing name

Serial.print(gColor);// printare frecvența pentru verde

Serial.print(" ");

Serial.print("B=");// printing name

Serial.println(bColor);// printare frecvența pentru albastru

Serial.println(" ");

}

Index

B

Bibliografie 9

C

CUPRINSUL xi

D

Dimensiuni 3

F

Figuri 4

Formulele matematice 4

I

Ilustrațiile 4

L

Legenda 6

LISTA FIGURILOR xii

LISTA TABELELOR xiii

R

Referințe web 10

S

Structura documentului 2

T

Tabele 5