Generarea Traiectoriilor Complexe cu Robotii Mitsubishi

PROIECT DE DIPLOMĂ

Generarea Traiectoriilor Complexe Cu Roboții Mitsubishi

CUPRINS

Introducere

Creșterea exponențială a populației și a nevoilor ei, a condus și conduce la o creștere a cererii de produse și servicii de o complexitate mult mai mare și de o acuratețe mult mai ridicată. Aceste nevoi din ce în ce mai sofisticate și timpii din ce în ce mai reduși în care trebuie satisfăcute aceste nevoi au impus căutarea unor metode noi de atingere a obiectivelor impuse de nevoile pieții. Concurența din fiecare domeniu a făcut ca fiecare competitor să încerce să își depășească limitele și să caute soluții noi de eficientizare a procesului de producție, depozitare, vânzare și distribuție. De aceea în urmă cu circa 45-50 de ani s-a pus problema înlocuirii factorului uman in anumite activități cu un robot .

Etimologia cuvântului robot este slavă din cuvântul din limba ceha robota sau limba rusă работа – rabota – muncă în limba română și a fost folosit pentru prima dată de dramaturgul ceh Karel Capek în piesa sa Robotul Universal al lui Rossum și a intrat în limbajul universal odată cu traducerea lucrării sale în limba engleză. [1]

În această piesă științifico – fantastică, RUR, se vorbește despre roboți inteligenți – androizii din zilele noastre, produși într-o fabrică aflată pe o insulă, iar într-un dialog ce face o comparație între om și robot, apare o întrebare foarte interesantă:

“ – Din punct de vedere practic, ce muncitor este mai bun?”

Iar răspunsul dat este:

“ – (…)Cel care este cel mai ieftin. Cel al cărui necestăți sunt mai mici. Tânărul Rossum a inventat un muncitor cu un număr minim de necesități. El a trebuit să îl simplifice. El a respins tot ceea ce nu avea de-a face în mod direct cu progresul muncii! – tot ceea ce îl face pe om să fie mai scump. De fapt, el a respins omul și a făcut Robotul. (…)Roboții nu sunt oameni. Din punct de vedere mecanic ei sunt mai perfecți decât suntem noi, ei au o inteligență dezvoltată enorm, dar ei nu au suflet.” [4].

Deși scrisă în anul 1921 și ajunsă faimoasă odată cu traducerea ei în limba engleză în anul 1923, această piesă pare din timpurile noastre, se vorbește despre roboți vorbitori, inteligenți folosiți în diverse ramuri ale producției, administrației și distribuției, cu alte cuvinte Roboți produși de roboți.

Primul proiect al unui robot industrial a fost elaborat de către George Charles Devol Jr. în anul 1958.

George Charles Devol Jr., Om de știință și antreprenor a trăit 99 de ani având la activ mai mult de 40 de invenții (a făcut parte și din echipa care a inventat Cuptorul cu Microunde), În 1954, Devol a aplicat pentru un brevet pentru un dispozitiv numit “Programmed Article Transfer” – Transfer de Articole Programat și căutând un partener de afaceri, el l-a găsit(la o petrecere cu cocktail-uri) pe Joseph Engelberger, un director cu diplomă de inginer obținută la Universitatea Columbia. Dispozitivul lor a trecut de la stadiul "Transfer de Articole Programat" la "Manipulator " și mai apoi la "Robot". Primul UNIMATE a fost produsul noii lor companii Unimation Corp., și era propulsat hidraulic. În 1961 primul Unimate a fost instalat la fabrica General Motors din Trenton, New Jersey, pentru a asista o mașină de turnare la cald prin injecție. [5]

Patent Number 2,988,237 din figura de mai jos a fost brevetul care a deschis drumul industriei robotice.[5]

Fig 2. Primul Robot industrial – Unimate

Capitolul 1Probleme Generale privind aplicațiile industriale ale roboticii

Termenul de Robotică a fost folosit pentru prima dată în anul 1940, de către Isaac Asimov, recunoscut ca unul dintre marii scriitori de literatură științifico-fantastică. Tot atunci el a enunțat cele 3 legi fundamentale care trebuie respectate de un robot în timpul îndeplinirii unei sarcini:

Un robot nu poate leza o ființă umană sau nu poate asista inactiv atunci când este agresată o ființă umană

Un robot trebuie să se supună comnzilor date lui de către ființele umane, cu excepția celor care nu respectă prima Lege.

Un robot trebuie să se protejeze pe sine însuși , cu excepția cazurilor în care s-ar încălca prima sau a doua Lege. [1]

Robotica reprezintă un ansamblu de discipline care se ocupă cu sistemele capabile să înlocuiască omul și funcțiile sale motrice, senzoriale și intelectuale în acțiunea sa asupra mediului înconjurător.[3]

În general roboții industriali sunt folosiți, în foarte multe domenii de activitate unde este nevoie de o înlocuire parțială sau totală a omului în scopul îmbunătățirii parametrilor de lucru din domeniul unde își desfășoară activitatea.

Robotica a dat o dimendiune nouă proceselor tehnologice și anume îmbinarea automatizare-flexibilitate, pentru dezvoltarea automatizării flexibile fiind necesare cunoștințe complexe de productică ( știința care se ocupă de tehnologiile recente asistate de calculator, echivalentul în limba engleză fiind Computer Intagrated Manufactoring – CIM sau fabricarea integrată cu ajutorul calculatorului ), electronică, mecanică, informatică, automatizări etc.[1]

Robotizarea diverselor locuri de muncă se face de către o echipă de specialiști din diverse domenii conexe care implementează introducerea cât mai rapidă a sistemelor robotizate în întregul sistem, luându-se în calcul toate aspectele procesului tehnologic.

Din punct de vedere al domeniilor de aplicabilitate ale roboticii se identifică 3 mari grupe de aplicații:

Domeniul Producției – acest domeniu are o conexiune directă cu Productica (CIM – fabricarea integrată cu ajutorul calculatorului).

În acest domeniu vast al producticii, robotica intervine ca o componentă esențială. În astfel de sisteme, roboții industriali nu pot fi neglijați, ei asigurând tocmai flezibilitatea producției, atat în ceea ce privește cantitatea produsului, cât și calitatea și natura acestuia. Robotica industrială se ocupă de automatizarea proceselor industriale discontinue și vizează în primul rând îmbunătățirea raportului calitate/preț.Asocierea roboților cu alte mașini în cadrul proceselor tehnoșogice, a condus la avantaje importante în raport cu modurile de producție tradiționale: – automatizarea aproape integrală a producției, însoțită de

Creșterea calitații produsului finit

Menținerea pentru mult timp a calității (fiabilitatea produselor)

Adaptarea mai ușoară la cererea pieței a cantității produselor introduse în procesul de fabricație

Readaptarea rapidă a unității de producție atunci când se trece de la fabricarea unui produs la un altul apropiat ( de exemplu, fabricarea diferitelor modele de autoturisme pe aceeași linie de fabricație) sau când o mașină din unitatea de producție este imobilizată accidental. Aceste unități de producție denumite unități flexibile (flexible manufacturing systems) pot fi întâlnite sub diferite forme: celule flexibile de producție (roboți industriali, mașini unelte cu echipament de comandă numerică – CNC Computer Numerical Control, depozite din care se iau semifabricatele și sculele și depozitarea pieselor finite, sisteme de măsurare), linii flexibile automate (compuse din celule flexibile având un echipament comun ce conducere automată și avand în general utilajele dispuse în ordinea operațiilor), ateliere flexibile (asocierea mai multor linii și celele flexibile, gestiunea atelierului și lansarea în fabricație a diferitelor loturi de piese făcându-se cu ajutorul unui calculator) și uzine flexibile (nivelul superior de organizare automată a producției, compuse din ateliere flexibile dar putând îngloba și module sau sectoare de lucru neautomatizate.[1]

Domeniul Explorării – Roboții folosiți în acest domeniu ajută explorarea acolo unde omului îi este greu sau chiar imposibil să supraviețuiască sau acolo unde este mai rentabil economic. Sunt folosiți în explorările din spațiul extraterestru, în mediul subacvatic, în medii periculoase omului din cauza temperaturilor ridicate sau scăzute sau din cauza radiațiilor. Există două tipuri de roboți utilizați în domeniul explorării: a) robotul autonom, după cum ne spune și numele său este un robot care funcționează autonom de la momentul pornirii în misiunea de explorare, el având un program bine stabilit în prealabil privind misiunea sa. S-au folosit în explorarea planetei Marte a Lunii și în alte medii subacvatice sau în industria nucleară. Momentan nu există roboți complet autonomi dar chiar în acest an NASA a pornit un nou program împreună cu Institutul Politehnic din Worchester pentru crearea unui robot complet autonom capabil să găsească și să culeagă diferite obiecte fără control uman și chiar fără ajutorul GPS-ului.

b) Sisteme de teleoperare – sunt roboți sau sisteme robotice care sunt comandate de la distanță de către un operator uman prin intermediul undelor radio sau alte mijloace moderne de transmisie prin fibra optica.

Sistemele de teleoperare functionează după principiul master-slave (stăpân-sclav).

Unul din lanțurile cinematice care alcătuiește mașina stăpân este pus în mișcare de operatorul uman, cel de-al doilea lanț, care intră în componența mașinii sclav execută o mișcare asemenea lanțului stăpân.[1]

Manipulatoarele copiază mișcările operatorului și cu ajutorul diverselor unelte, dispozitive execută comenzile cu o forță și o sensibilitate, de obicei, amplificate.[3]

Domeniul Asistenței Individuale – aplicatiile robotice folosite sunt de cele mai multe ori în domeniul medical, pentru a ajuta oamenii ajunsi în situații dificile din cauza unor amputări sau chiar în cazul oamenilor paralizați.

Identificăm 3 categorii:

Protezele – care pot înlocui diferite părți ale corpului uman, de cele mai multe ori sunt mâini și picioare artificiale.

Ortezele – reprezintă structuri motorizate rigide, care amplifică forța mușchilor zonei sau membrului în jurul căruia se montează.

Teletezele – sunt destinate folosirii de către oamenii care au paralizat aproape întreg corpul, comanda mișcării date prin intermediul unui sistem de teleoperare se realizează prin intermediul zonele neparalizate ( limba, muschii ochilor etc.)

Principalele aplicații în care utilizarea roboților industriali are avantaje evidente:
– sudură;
– operații de prelucrare și ansamblare;
– vopsire;
– forjarea, turnarea în forme a pieselor mari

-tăierea și sudarea cu laser etc.

Robotul industrial este definit în prezent ca un manipulator tridimensional, multifuncțional, reprogramabil, capabil să deplaseze materiale, piese, unelte sau aparate speciale după traiectorii programate, în scopul efectuării unor operații diversificate de fabricație.

În cele ce urmează vom discuta despre câteva din aplicațiile importante ale roboticii:

Aplicații ale roboticii în sudură.

Sudarea este o metodă tehnologică de îmbinare nedemontabilă a două sau mai multe piese, prin realizarea unei legături stabile între rețelele cristaline ale materialelor din care sunt alcătuite piesele.

Roboți industriali folosiți în sudură MIG/MAG, WIG/TIG

Denumirea MIG/MAG înseamnă "metal inert gaz/metal activ gaz" și definește procedeul de sudare cu sârmă (ca electrod) în mediu de gaz protector ;Denumirea WIG/TIG înseamnă "wolfram inert gaz/tungsten inert gaz" și definește procedeul de sudare cu electrod neconsumabil din wolfram/tungsten (europenii îl numesc WOLFRAM, americanii folosesc denumirea TUNGSTEN) ca electrod, însă exclusiv în mediu de gaz protector inert (de regula ARGON sau HELIU);

Gazul protector, cum reiese și din denumirea lui, are rolul de a proteja zona de sudare efectivă (baia).Deoarece majoritatea metalelor reacționează cu aerul formându-se oxizi, care îngreunează trecerea curentului, este necesar ca în imediata vecinătate a procesului de sudare să nu fie aer.

Acest lucru se realizează prin intermediul gazului protector. Acest gaz poate fi de două tipuri MIG (Metal Inert Gas) sau MAG (Metal Active Gas). Gazele inerte, de exemplu Argonul sau Heliul, se folosesc la sudarea aliajelor de cupru, de aluminiu sau cu magneziu. Gazele active se folosesc la sudarea oțelurilor obișnuite, de construcții.

În cazul pr cazul proceselor de sudare MIG/MAG electrodul folosit este așa-numita sârmă de sudură. Aceasta este împinsă în baie de către un sistem de avans. În vecinătatea băii, înainte de contactul mecanic ea trece printr-o diuză de curent (bucată metalică responsabilă cu transferul de energie electrică asupra electrodului), de la care preia energia electrică necesară creerii arcului si topirii materialului. Diuza de curent este poziționată în interiorul diuzei de gaz.

Fig. 1.2: Sistem robotizat pentru sudarea pieselor de tip "elice centrifugă"

Vehicole de mare tonaj

Aplicații ale roboticii în operații de prelucrare și asamblare.

SISTEM AUTOMAT INTEGRAT DE PRELUCRARE ȘI ASAMBLARE

Fig. 1.5: Sistem automat integrat de prelucrare și asamblare

Sistemul implementează urmatoarea succesiune de operații:
• Alimentare automată cu piese pe conveior dintr-o magazie de semifabricate;
• Alimentare automată cu piese a unui strung automat;
• Prelucrarea semifabricatului;
• Preluarea piesei de la strung și depunerea pe un conveior („machine tending”);
• Asamblare automată bazată pe controlul forței;
• Așezarea produselor finite (ansamblul final) într-o magazie de produse finite.

Aplicații ale roboticii în vopsire

Randamentul scăzut al vopsirii manuale (pierderile de de vopsea sunt de 40-60%), nocivitatea produselor aplicate, neuniformitatea stratului nou depus, au determinat robotizarea operațiilor de vopsire, în majoritatea ramurilor industriale.

Sistemele de comandă și control ale roboților industriali, utilizați în sectoarele de vopsire, monitorizează evoluția spațial – temporală a jetului de material cu care se face acoperirea, distanța de la pistolul de vopsit la obiectul a cărui suprafață se acoperă, calitatea materialului de acoperire, temperatura și presiunea de lucru etc.

Există o gamă foarte mare de roboți in domeniul vopsirii și tocmai de aceea vom alege ca exemplificare un robot simplu, dar in acelasi timp foarte practic.

Modelul ales este numit Paint Mate 200iA și este un produs al companiei Fanuc Robotics America Inc. și are următoarele caracteristici:

• numarul de axe: 6
• capacitate vopsea: 5 kg
• repetabilitate: ±0.2 mm
• greutate robot: 35 kg
• anvergura brațului: 704 mm
• controller: R-30iA

Aplicațiile acestui robot sunt destul de complexe și foarte practice:

• vopsirea pieselor auto
• vopsirea lemnului
• vopsirea produselor de larg consum
• vopsirea plasticului și a cauciucului
• vopsirea piselor din oțel sau alte materiale feroase
• aplicarea substanțelor anticorozive

În Fig. 1.6 de mai jos, avem posibilitatea de a observa acest robot în prim plan:

Fig. 1.6 Paint Mate 200iA

Aplicații ale roboticii în forjare

Forjarea este procedeul de prelucrare prin deformare plastică, ce constă în modificarea formei unui semifabricat metalic, fără fisurare macroscopică, prin intermediul forțelor statice sau dinamice exercitate de ciocane.

Metodele de forjare se pot clasifica după următoarele criterii:

După gradele de libertate ale materialului semifabricatului în timpul deformării: forjare liberă (materialul se deformează nelimitat, sub acțiunea unor forțe exterioare aplicate unidirecțional), forjare de profilare (materialul se deformează între scule profilate, sub acțiunea unor forțe exterioare aplicate simultan pe mai multe direcții) și forjarea în matriță (numită matrițare, când materialul se deformează în cavitatea unei matrițe);

După temperatura de lucru: forjare la cald sau rece;

După viteza de deformare: forjare cu viteze mici (pe prese) sau cu viteze mari (pe ciocane);

După modul de acționare a forței de deformare: forjare manuală sau mecanică.

Fig. 1.7 Robot folosit la preluarea pieselor incandescente din cuptor.

Principalele avantaje ale utilizării roboților industriali, în sectoarele de forjare, sunt următoarele:

Capacitatea de a manipula semifabricatele incandescente;

Trecerea ușoară de la un program de fabricație la altul prin schimbarea programului și a organului de prehensiune (acțiunea mâinii de a prinde, de a apuca cu ajutorul degetelor, ghearelor, al unei pense etc, aici se referă la acțiunea robotului de a prinde, de a apuca cu ajutorul gripper-ului );

Neglijarea mediului înconjurător nociv;

Reducerea personalului, timpului de lucru efectiv;

Eficientizarea întregului proces;

Pentru a avea o imagine mai clară, ca urmare a robotizării preselor la firma Ford, în industria constructoare de mașini, numărul operatorilor umani s-a înjumătățit.

Maiximizarea raportului dintre valoarea de întrebuințare a produselor și costul acestora se poate realiza cu ajutorul conlucrării dintre factorul uman, roboții industriali și sistemele automate.

Aplicații ale roboticii în tăierea cu Laser

Laserul este un dispozitiv amplificator sau generator cuantic de radiații electromagnetice de radiații electromagnetice din spectrele infraroșu, vizibil și ultraviolet, bazat pe emisia stimulată a luminii de către unele sisteme atomice în urma iradierii cu o sursă de radiații secundară; emisia cuantelor de lumină lumină are loc în urma tranzițiilor secundare ale atomilor substanței folosite (cristal sau gaz), produse prin rezonanță de către radiația secundară. Laserul constituie o sursă de fascicule luminoase coerente, foarte intense și înguste, cu mare directivitate. Coerența radiației permite obținerea concentrării de energie, corespunzătoare unor temperaturi de zeci de mii de grade. Proiectul realizării l. aparține fizicienilor americani A.L. Schawlow și C.H. Townes (1958), fiind realizat în 1960 de T.H. Maiman, el deschizând noi perspective în numeroase domenii. Astfel, în metalurgie este folosit la topirea locală a metalelor greu fuzibile și la perforarea celor dure, în fizica nucleară la dirijarea reacțiilor termonucleare, în chirurgie la bisturiul cu l.; are aplicații în telecomunicații, chimie, metrologie, în domeniul militar etc. Primul laser românesc a fost construit, în 1962, de un colectiv al Institutului de Fizică Atomică condus de prof. I. Agârbiceanu. [5]

Un exemplu de Robot industrial folosit pentru tăierea și sudarea cu Laser este cel prezentat mai jos, fabricat de firma Trumpf din Statele Unite ale Americii, numit TruFiber 400.

Cea mai bună calitate a fasciculului factorului de merit M ² <1.1;

Operare comodă, cu PC-ul integrat și panoul touchscreen;

Generator de frecvență built-in;

Măsurarea puterii și control în timp real;

Cablu laser robust;

Înalt standard de siguranță;

Două versiuni disponibile: versiunea stand-alone cu chiller integrat apă-aer și versiunea 19''pentru integrare;

Un design special reduce semnificativ reflectia pentru laserele de 400 W si 500 W

TruFiber 400 sudează și taie bucăți de 0,4 mm grosime din oțel inoxidabil, la o viteză de peste 20 m / min.

În timpul tăierii de precizie, robotul este prevăzut cu un modul optional Cutassist, care susține realizarea unei tăieri de mare precizie. El setează parametrii laser la viteza de tăiere complet automat, oferind o calitate foarte mare a tăierii și productivitate maximă. [6]

CAPITOLUL 2 – ARHITECTURA MECANISMELOR ROBOTICE

2.1 Caracteristici tehnice generale ale roboților industriali

În prezent nu există o definiție unanim acceptată a sistemelor robot dar cea mai complexă și mai cuprinzătoare este cea dată de către Japan Industrial Robot Association (JIRA) care spune că robotul este un dispozitiv versatil și flexibil, care oferă funcții de deplasare similare celor ale membrelor umane sau ale cărui funții de deplasare sunt comandate de senzori și de mijloace proprii de recunoaștere.

Caracteristici ale sistemelor robot:

Sistemele robot sunt destinate în principal operațiilor de manipulare

Structura mecanică a acesto sisteme este dotată cu mai multe grade de libertate, astfel încât să poată efectua operații complexe, mișcarea la nivelul fiecărui grad de libertate fiind controlată de unitatea de conducere

Sistemele robot sunt autoneme, funcționând fără intervenția sistematică a operatorului uman

Aceste sisteme sunt echipate cu unitate de calcul și memorie, ceea ce face ca modificările sarcinilor de executat să se facă rapid prin modificări aduse programelor de comandă

Sistemele robot pot fi privite ca fiind mașini complexe, automate și flexibile care îndeplinesc funcții tipic umane. Aceste sisteme se pot adapta, în măsura în care este posibil, la schimbările apărute în mediul de lucru. Sistemele robot au doua proprietăți caracteristice:

Versatilitatea care reprezintă capacitatea sistemului robot de a executa sarcini diverse sau de a executa aceeași sarcină în moduri diferite. Această proprietate este caracteristică tuturor sistemelor robot, deoarece structura mecanică a acestora este cu geometrie variabilă

Autoadaptabilitatea la mediul de lucru reprezintă proprietatea sistemelor robot de a îndeplini sarcinile comandate chiar dacă apar perturbații neprevăzute în mediul de lucru, în timpul efectuării sarcinii. Această proprietate implică dotarea robotului cu simțuri artificiale care să-i permită să ia cunoștință de proprietățile mediului în care lucrează. Deși în ultima perioadă s-au obținut rezultate deosebite în cercetările asupra senzorilor tactili, auditivi, vizuali etc, performanțele obținute sunt încă departe de posibilitățile senzoriale ale omului.[1]

Caracteristicile de bază (parametrii principali) ale sistemelor robot sunt date de obicei de firmele care produc sistemele robot, iar aceste caracteristici cuprind datele următoare:

O serie de informații care ne creionează o primă imagine asupra sistemului robot și anume:

Date despre structura mecanică a sistemului robotic adică informații despre numătul de axe, numărul și tipul articulațiilor (ex. Robot poliarticulat cu șase axe acționate independent) ;

Domeniul de aplicație al sistemului robot care poate fi în prelucrare, sudură, manipulare, forjare, vopsire etc. ;

Date despre dotările cu echipamente speciale și accesorii ( pod rulant, cărucior, vehicul, șine etc) .

O serie de informații privind performanțele și caracterisiticile sistemului robot și anume:

Raza de acțiune și viteza maximă;

Sarcina nominală și cea maximă suportată de sistemul robot în timpul mișcării;

Repetabilitatea adică diferența între media pozițiilor unghiulare atinse și valoarea comandată;

Volumul de lucru sau volumul de acțiune – volumul în care se poate deplasa un punct caracteristic al organului terminal al sistemului robot;

Numărul gradelor de libertate;

Greutatea totală a sistemului robot fără a lua în cosiderare dulapul de comandă.

O serie de informații referitoare la sistemul de comndă a sistemului robot și anume:

Tipul limbajului folosit pentru a putea comanda sistemul robot;

Viteza de procesare a informației de către sistemul de comandă;

Capacitatea de stocare a informatiei – memoria;

Alte proprietăți ale sistemului de comandă.

În funcție de modificarea parametrilor de mai sus, se pot creea un număr foarte mare sisteme robotice care să corespundă diverselor cereri.

În afară de aceste caracteristici, firmele producătoare de sisteme robot menționează și alți parametrii:

tipul acționării (electrică, hidraulică, pneumatică) ;

tipul comenzii;

puterea consumată.

Mai există și alte caracteristici care este bine să fie precizate, cum ar fi:

fiabilitatea;

simplitatea reglării și a întreținerii;

estimarea duratei de menținere a parametrilor inițiali (frecvența căderilor accidentale) ;

temperatura de lucru;

calificarea personalului care manipulează sistemele robotice.

Din punct de vedere economic, factorii de care trebuie să se țină cont sunt:

prețul sistemului robotic;

cheltuielile care urmează a fi făcute pentru implementarea robotului în cadrul celulelor și liniilor de fabricație flexibile;

cheltuielile care urmează a fi făcute pentru instruirea personalului pentru o folosire cât mai precisă a sistemului robot;

cheltuielile de exploatare;

cheltuielile de întreținere și reparații;

cheltuielile ce țin de consumul de energie etc.

În prezent nu există o standardizare a parametrilor caracterisitici roboților industriali din pricina faptului că sistemele robot sunt sinteme mecatronice de o mare complexitate, ale căror parametrii sunt extrem de sensibili la variațiile dimensiunilor și greutății obiectelor manipulate. [1]

Există 3 parametri globali care ajută la aflarea performanțelor roboților industriali:

parametrul global k1

k1 [m3/N]

Greutatea de servici a robotului reprezintă greutatea robotului industrial în condiții de funcționare, luând de exemplu în considerare și greutatea fluidului în cazul acționării hidraulice.

Acest parametru caracterizează roboții industriali din punct de vedere al eficienței lor de intervenție în mediul industrial și al supleței.

Parametrul global k2

k2

Acest parametru caracterizează roboții din punct de vedere al capacității gravitaționale specifice de manipulare.

Parametrul global k3

k3 [m3/mm]

Acest parametru caracterizează calitățile tehnice ale roboților industriali

Cu cât acești parametrii globali k1, k2, și k3 sunt mai mari cu atât sunt mai performanți roboții industriali.

2.2 Arhitectura generală a roboților industriali

În timpul funcționării unui sistem robot se pot evidenția 4 componente principale:

Sistemul mecanic articulat

Mediul de lucru

Obiectivul de realizat

Creierul robotului

2.2.1 Sistemul mecanic articulat, care este denumit de multe ori robotul propriu zis, este parte a celulei de fabricație robotizate și este echipat cu motoare de acționare (electrice, hidraulice sau pneumatice), de la care mișcarea este transmisă la cuplele active ale robotului prin intermediul transmisiilor mecanice (cu curele, lanțuri, angrenaje).[1]

Sistemul mecanic articulat este sistemul cu care robotul industrial execută efectiv lucrarea pentru care este destinat și este format din segmente mecanice de diferite forme care, asamblate, dau imaginea exterioară a robotului. Segmentele sunt legate în serie sau în paralel, folosind cuplele mecanice.[3]

Sistemul mecanic articulat este format deci din 3 componente:

Sistemul de alimentare cu energie (Sursa de energie) ;

Sistemul de acționare;

Sistemul de transmisie.

2.2.1.1 Sursa de energie Sursa de energie constituie suportul energetic necesar pentru punerea în mișcare atât a elementelor mobile ale robotului cât și pentru asigurarea alimentării electrice a sistemului de acționare și a celui de conducere (creierul robotului). Sursa de energie poate fi energia electrică, energia hidraulică și energia pneumatică. Se folosește de multe ori o combinație între sursele de energie pentru același robot industrial (ex. Energie electrică pentru punerea în mișcare a segmentelor structurii mecanice și energie pneumatică pentru închiderea și deschiderea dispozitivului de prehensiune numit și gripper).

Cel mai frecvent se folosește energia electrică datorită avantajelor pe care le prezintă, totuși nu se pot folosi la roboții care acționează în mediu explosiv, la roboții care manipulează obiecte grele. În general roboții industriali mobili utilizează energia electrică produsă de baterii (pe cale chimică).

Energia hidraulică se folosește la roboții industriali care manipulează sarcini mari cum ar fi roboții grei (sarcină maximă 40-100kg) și roboții foarte grei (sarcină maximă peste 100kg). Roboții industriali care folosesc energia hidraulică, prezintă o construcție simplă și au o flexibilitate ridicată.

Energia pneumatică este energia folosită în cazul roboților industriali manipulatori pentru că aceștia sunt caracterizați de comenzi simple, construcție simplă, fiabilitate ridicată și poate fi folosită în mediile explozive chiar dacă sunt foarte zgomotoși în timpul funcționării.

2.2.1.2 Sistemul de acționare

Sistemul de acționare asigură mijloacele și energia necesare robotului pentru a executa mișcări în spațiul de lucru.

Motoarele de acționare care transformă energia electrică, hidraulică sau pneumatică în energie mecanică, se aleg în funcție de următorii factori:

Cost;

Mediul de lucru;

Sarcina de manipulare;

Precizia de poziționare;

Viteza de lucru.

Toate cele trei tipuri de acționare comparate între ele prezintă o serie de avantaje și dezavantaje care puse în balanță ajută la alegerea tipului de acționare.

Acționarea hidraulică

Acționarea hidraulică, folosește uleiul ca agent motor asigurând stabilitate, putere dar în același timp sunt și lente având un gabarit mare. Pentru roboții industriali se folosesc 2 tipuri de motoare hidraulice: liniare și/sau rotative, iar cele mai des întâlnite sunt motoarele hidraulice cu dublu efect la care fluidul este pompat de ambele fețe ale pistonului, iar cursele din ambele sensuri sunt active. Motorul este doar o parte a sistemului care mai conține și alte elemente cum ar fi: aparate de protecție, aparate pentru controlul și măsurarea presiunii, aparate care reglează parametrii dinamici ai motoarelor, pompa, etc.

Avantaje:

posibilitate de obținere a unor forțe foarte mari;

proiectare compactă;

reglări precise de viteze.

Dezavantaje:

pericol de contaminare (poluare) cu ulei;

este necesar un sistem complex de conducte (presiune mare);

timp de reacție mare (inerție mare);

precizie mică de poziționare.

Acționarea hidraulică se folosește la roboții care au nevoie de forțe și momente mari și pentru acționări de putere.

Acționarea pneumatică

Acționările pneumatice utilizează aerul comprimat ca agent motor și asigură numai mișcări de translație, care pot fi însă convertite ușor în mișcări de rotație ale articulațiilor, datorită curselor limitate ale acestora. Au un timp de reacție scurt, ideal pentru reflexe rapide ale robotului, dar necesită un compresor greu și zgomotos, cu tot sistemul de filtare și distribuție a aerului comprimat și au o precizie redusă, din cauza compresibilității aerului. [7] Acționarea pneumatică este cea care pune la dispoziție (prin intermediul caracteristicilor mediului pneumatic de lucru-presiune și debit), energia de antrenare. Elementele de antrenare fiind motoarele și cilindrii pneumatici.

Avantaje:

simplitate constructivă;

întreținere ușoară;

timpi de acționare mici;

necesită măsuri de siguranță puține și simple;

rezistente la variații de temperatură;

aplicabile în condiții dure de lucru.

Dezavantaje:

zgomot;

pentru puteri mari sunt necesari cilindrii cu volum mare;

precizie mică de poziționare;

numai mișcări „totul sau nimic;

nu se pot adapta la modificarea continuuă a traiectoriei.

Acționările pneumatice sunt utilizate la roboții care acționează în medii explozive, metalurgie, chimie, minerit, prelucrarea lemnului,etc.

Acționarea electrică

Energia electrică fiind principala formă de energie prezentă în majoritatea intreprinderilor și atelierelor, face ca accesibilitatea la acestă formă de energie să fie foarte rapidă și la îndemână, ceea ce duce ca majoritatea roboților industriali să aibă acționare electrică cu ajutorul motoarelor în curent continuu (80%), baterii sau acumulatori (mai ales pentru roboții mobili). Se utilizează de obicei motoarele în curent continuu și motoarele pas cu pas.

Avantaje:

fără zgomot;

alimentare simplă și eficientă cu energie;

fiabilitate mare;

reglare foarte bună a vitezelor de rotație și a momentelor (dinamică bună);

poziționare foarte precisă și repetabilitate bună;

construcție compactă;

greutate mică;

timpi de reacție mici.

Dezavantaje:

puteri și forțe mici;

limitare a vitezelor;

sunt necesare mecanisme de transmisie a mișcării;

Concluzie: Toate cele trei tipuri de acționare ale roboților industriali au atât avantaje cât și dezavantaje, iar soluția optimă este una hibrid, adică o combinație între două sau chiar toate tipurile de acționare. Astfel se încearcă creșterea eficienței din toate punctele de vedere ale robotului industrial.

2.2.1.3 Sistemul de transmisie

Roboții industriali folosesc o gamă largă de organe și mecanisme pentru transmiterea și conversia mișcării:

curele dințate

lanțuri

cabluri

pârghii

mecanisme bielă-manivelă,

surub-piuliță,

cilindrii hidraulici,

angrenaje cu roți dințate,

angrenaje planetar diferențiale

angrenaje pinion-cremalieră,

angrenaje șurub melc-roată melcată etc.

În prezent se utilizează de către constructorii de roboți industriali, reductoare neconvenționale de tipul reductoarelor planetare speciale și al reductoarelor armonice, asigurându-se astfel un raport mare de reducere dar și gabarit redus.

2.2.2 Mediul de lucru

Mediul de lucru este spațiul în care robotul își desfășoară operația și în care sunt incluse și toate obiectele aflate în acel volum.

Mediul de lucru, este universul în care se gasește Sistemul Mecanic Articulat. Pentru roboții cu post de lucru fix (imobili), mediul de lucru se reduce la spațiul util al robotului, adică spațiul ocupat de acesta, în timpul mișcării sale, pentru orice configurație a sa. Pentru roboții mobili, componenta mediu va avea o întindere mai mare, a cărei mărime este dependentă de posibilitățile de deplasare ale robotului. În mediu, robotul va găsi obiecte de “interes”, asupra cărora va acționa, și “obstacole”, pe care va trebui să le evite în timpul mișcării sale. Între aceste două componente, sistemul mecanic articulat și mediu, va exista o interacțiune directă, de care este necesar să se țină seama în elaborarea comenzilor robotului. În timpul mișcării, robotul poate să culeagă informații din mediul său de lucru prin intermediul unor senzori specifici, ca de exemplu: camere de luat vederi, detectori de forță, senzori de proximitate, tactili etc.[1]

În funcție de mediul în care acționează, roboții mobili pot fi:

roboți terești – se deplasează pe solul Pământului;

roboți subacvatici – în apă;

roboți zburători – în aer;

roboți extratereștri – pe solul altor planete sau în spațiul cosmic.

În zilele noastre roboții acționează în medii de lucru periculoase omului (zone radioactive, alte planete, dezamorsări de bombe etc.), în medii plăcute omului (parcuri de distracție, roboții de jucărie, etc) și chiar în interiorul omului (nano-roboții medicali) modificând astfel la rândul lor mediul în care acționează.

2.2.3 Obiectivul de realizat

Obiectivul de realizat reprezintă chiar sarcina pe care trebuie să o îndeplinească robotul. Acest obiectiv declarat al robotului trebuie să fie cât mai bine definit și descris cu o precizie foarte mare pentru a ajunge la rezulte optime, iar acest lucru se poate realiza cu ajutorul programelor de calculator care comunică cu sistemul de comandă al robotului prin intermediul limbajului de programare.

Obiectivele de realizat ale roboților au crescut în complexitate odată cu creșterea nevoilor societății în care trăim, pornind de la roboți care efectuau 1-2 tipuri de sarcini pănă la roboții umanoizi.

2.2.4 Creierul robotului

“Creierul robotului”, care este componenta sistemului robot ce analizează informațiile introduse de operator sau cele primite de la senzori, pe baza cărora apreciază configurația robotului și starea mediului, apelează programele de comandă memorate și emite comenzi (semnale de puteere pentru motoarele de acționare) pe baza cărora sistemul mecanic articulat al robotului se deplasează pentru îndeplinirea sarcinii programate. Această componentă a sistemului-robot are capacitate de memorare, memoria sa putând conține următoarele elemente:

un model al robotului fizic care conține relațiile între semnalele de putere pentru acționarea motoarelor și deplasările robotului la nivelul cuplelor sale active;

un model al mediului care să conțină o descriere a spațiului în care se mișcă robotul fizic (prima componentă a sistemului-robot) adică zonele cu obstacole, forma și consistența obiectelor manevrate etc.;

programe care să permită înțelegerea obiectivului realizat;

programe de comandă a robotului fizic.

În general majoritatea roboților industriali actuali nu posedă niciun mijloc de apreciere asupra stării mediului în care lucrează, nefiind echipați cu senzori corespunzători în acest sens. Aceasta se datorează faptului că roboții industriali actuali se utilizează în general pentru sarcini care presupun mișcări repetitive, caz în care analiza automată a mediului prezintă mai puțină importanță, dotarea cu sisteme de analiză corespunzătoare pentru acesta (în general foarte costisitoare și cu fiabilitate scăzută) nefiind necesară în acest caz.[1]

2.3 Arhitectura Structurii Mecanice a Roboților Industriali

Având în vedere numărul mare de roboți industriali existenți în lume, precum și marea diversitate a acestora, se poate face o clasificare după, arhitectura generală a modulelor construite până în prezent; Se disting următoarele tipuri de roboți sub aspect structural:

Tipul “braț articulat” (BA) – este construit din elemente articulate formând un lanț cinematic deschis, având cu preponderență cuple cinematice de rotație, ale căror elemente sunt acționate direct de motoare rotative amplasate în apropierea zonelor de contact. Ex: Robotul AȘEA 10 (Suedia) cu acționare electrică. O construcție similară au roboții PUMA cu acționare electrică și 6CH ARM cu acționare hidraulică. Roboții de tip BA prezintă avantajul unei mari supleți și a accesului relativ ușor al dispozitivelor de prehensiune la obiectul manipulat; ca urmare roboții de tip BA se utilizează cu succes în aplicații de sudare, vopsire-metalizare, montaj, având un spațiu de lucru relativ mare. Dezavantajul principal constă în faptul că au structura de rigiditate relativ mică.

Fig 2.1 Robot cu BA cu cinci articulații

Tipul “lanț închis” (LI) de roboți au în structura mecanismului generator de traiectorie un contur poligonal închis, fapt care permite realizarea unor spații de lucru de geometrie mai complicată și conduce la o mai mare rigiditate a sistemului mecanic. Acționarea se face și în acest caz cu motoare rotative amplasate în apropierea zonelor de contact ale cuplelor cinematice conducătoare. Din această categorie fac parte roboții SCHLATTER, HDS-36 (Germania) cu acționare electrică.

Roboții industriali de tip LI sunt supli, cu posibilități de acces în spații greu accesibile. Comparativ cu roboții de tip BA, aceștia au în plus o rigiditate mai mare a sistemului mecanic, că urmare au o utilitate mai mare,putând fi utilizați și la deservirea unor prese și ciocane de forjă, la manipularea unor sarcini în depozite, pentru paletare, etc. Dezavantajul principal al roboților te tip LI îl constituie construcția lor complicată.

Fig. 2.2 Robotul de tip LI Schlatter HDS-36

Tipul “pistol”(P) de roboți industriali este constituit dintr-un corp central care poartă un braț asemănător unei țevi de pistol, având posibilitatea să-și schimbe direcția și lungimea. În general, acționarea în cazul acestor roboți este pneumatică sau hidraulică, variantele acționate electric fiind rar întâlnite.

Pentru exemplificare se amintesc roboții din generația 1 MACHINE DYNAMICS (Australia), familia modularizată de roboți suedezi MHU Senior, MHU Junior și MINOR-ELECTROLUX, robotul Star-o-mat (Germania). Avantajul principal al roboților de ip P este construcția lor simplă; suplețea și dexteritatea lor sunt însă mai reduse întrucât numărul gradelor de libertate este mai mic, cursele de lucru fiind deasemenea mai reduse. Roboții de tip P se utilizează la manipularea pieselor în vederea deservirii masinilor-unelte și preselor de ștanțare-ambutisare.

Fig. 2.3 Robotul de tip pistol

Tipul“turelă” (T) de roboți idustriali are o arhitectură asemănătoare cu cea a roboților de tip P, deosebirea constând în faptul că la tipul T între corpul central și braț se interpune un subansamblu de formă unei turele care permite o rotație suplimentară în jurul unei axe care se găsește într-un plan orizontal;

Întrucât majoritatea roboților industriali de tip T sunt acționați hidraulic, aceștia se caracterizează printr-o robustețe, construcție compactă și dexteritate mai mare decât cea a roboților de tip P, fapt pentru care au o aplicabilitate universală.

Fig. 2.4 Robotul de tip turelă Unimate 1000

Tipul “coloană” (C) de roboți industriali se caracterizează prin faptul că este purtat de o coloana verticală care permite o deplasare de translație după aceeași direcție. Robotul SIROBOT cu acționare electrică, are coloana construită din două tije verticale cilindrice, mișcarea de translație fiind asigurată prin intermediul unui mecanism șurub-piulita. O construcție similară o are robotul SCIAKY. Roboții de tip C au o construcție simplă și robustă, au dispozitivul de ghidare rigid și o dexteritate suficient de mare. Dezavantajul principal este suplețea mai redusă. Roboții de tip C se utilizează în special în operații de sudare.

Fig. 2.5 Robotul de tip C-Sirobot

Tipul “cadru”(CD) de roboți industriali se construiesc cu un cadru care conține coloana, ceea ce îi conferă o rigiditate sporită coloanei verticale. Roboții de acest tip sunt: robotul FANUC (Japonia) și robotul JOB’OT (Italia), care conțin și un dispozitiv pneumatic de echilibrare a greutății brațului a cărui forță se transmite prin intermediul unui braț articulat.

Fig. 2.6 Robotul de tip C – Fanuc (Fujitsu)

Tipul “portal”(PO) de roboți industriali permite manipularea unor piese grele într-un spațiu de lucru de dimensiuni mari. Ca exemplu se pot da roboții utilizați în construcția de mașini cum ar fi: ROBOT TYPE 80 PORTIQUE și DOUBLE PORTIQUE (Franța).

Fig. 2.7 Robot de tip P – Robot Type 80 Portique (Renault)

Tipul “cărucior” (CĂ), acoperă un spațiu mare de lucru, prin montarea unui robot pe șasiuri sau cărucioare care se pot deplasa liber sau ghidare pe sine. Robotul MP9 (Rusia) și robotul electrohidraulic românesc VIPAS 2 sunt exemple elocvente în acest sens.

Fig. 2.7 Robotul de tip CĂ – MP9

Analizând clasificarea roboților industriali după caracterul lor arhitectural se constată că arhitectura roboților este strâns corelată cu formă geometrică a spațiului de lucru. Astfel roboții de tip portal PO au spațiul de lucru paralelipipedic, cei de tip pistol P, coloană C, cadru CD au spațiul de lucru cilindric, cei de tip turelă T și lanț închis LI au spațiul de lucru sferic, iar cei de tip braț articulat BA au spațiul de lucru compus.[1]

CAPITOLUL 3 – METODE ȘI ALGORITMI DE ANALIZĂ POZIȚIONALĂ A CELULELOR DE LUCRU ROBOTIZATE

Generalități

În vederea stabilirii orientării și poziției componentelor sistemelor robotice, se realizează analiza pozițională a roboților industriali, această analiză efectuându-se în timpul funcționării acestora.

Studiul pozițional presupune și determinarea poziției și orientarea efectorului final al mecanismelor roboților industriali în funcție de coordonatele generalizate ale acestora. Tot aici se mai determină variația coordonatelor generalizate ale sistemelor robotice, ceea ce permite generarea de traiectorii impuse de către sarcina de realizat la nivelul efectorului final.

În cadrul analizei poziționale a sistemelor robotizate se atașează într-o primă fază, o serie de repere componentelor sistemului robotizat. Se vorbește în acest caz de un set minimal de repere cu denumire standard.

Fig. 3.1 – Sistem robotic și componentele sale

Pentru analiza pozițională a mecanismelor active robotice, se atașează fiecărui modul component cel puțin un sistem de coordonate, în puncte caracteristice ale modulului respectiv: centrul cuplelor active de legătură între module, în centrele de masă ale modulelor, în puncte în care interacționează cu mediul de lucru. Pentru determinarea analizei poziționale se determină parametrii de pozitie ( l, m, n) și parametrii de orientare (p, q, r).

Parametrii de poziție.

În cadrul sistemelor robotice se poate opera cu diferite tipuri de coordonate:

Coordonate carteziene

Coordonate cilindrice

Coordonate sferice

Coordonate carteziene (3.1)

Fig. 3.2 Coordonate carteziene

XOi=Xi ; YOi=Yi ; ZOi=Zi (3.2)

Coordonate cilindrice (3.3)

Fig. 3.3 – Coordonate cilindrice

(3.4)

(3.5)

(3.6)

Sau rezultând două soluții:

Coordonate sferice (3.7)

Fig 3.4 – Coordonate sferice

(3.8)

; ) (3.9)

(3.10)

(3.11)

(3.12)

Parametrii de orientare

Cuantificarea orientării relative între diferite componente ale sistemului robotizat se realizează prin evaluarea orientării relative între 2 componente atașate celor 2 componente.

Fig. 3.5 – Parametrii de orientare

ARB – matrice de la A la B corespunzătoare mișcării de rotație de la A la B. Matrice pătrată 3×3.

A, B componente ale sistemului robotizat

3.2 Matricile de rotație. Se stabilește în continuare, expresia matricei de rotație ARB, folosind cosinușii directori corespunzători reperului (TB)=(OBxByBzB) în raport cu axele reperului (TA)=(OAxAyAzA).

Fig. 3.6 – Cosinușii directori

– cosinușii directori ai axelor (OBxB), (OByB), respectiv (OBzB) în raport cu axele reperului (OAxAyAzA).

(3.13)

În care:

, – versorii axelor reperului (TA)

– versorii axelor reperului (TB)

(3.14)

ARB (3.15)

ARB= (3.16)

este matricea de rotație corespunzătoare orientării relative a reperului (TB), atașat componentei (B), în raport cu reperul (TA) atașat componentei (A).

Relația (3.16) arată faptul că matricea de rotație ARB conține pe fiecare coloană cosinușii directori ai axelor reperului (TB) în raport cu axele reperului (TA).

3.2.1 Proprietăți ale matricelor de rotație

3.2.1.1 Proprietatea de schimbare a bazei.

Având un vector oarecare (vector de poziție, vector de viteză, vector de moment sau vector de forță), este adevărată relația:

(A)f = ARB*(B)f (3.17)

Unde:

(A)f = (3.18)

(B)f = (3.19)

În care (, ) și (, ) reprezintă proiecțiile vectorului pe axele reperului (TA), respectiv (TB).

3.2.1.2 Proprietatea de ortogonalitate a matricelor de rotație.

Această proprietate este descrisă de relația:

A = A (3.20)

Unde: A = BRA (3.21)

iar A este transpusa matricei de rotație ARB

A= BRA (3.22)

iar A este inversa matricei de rotație ARB

3.2.1.3 Proprietatea pașilor intermediari.

Având reperele: (T0), (T1), (T2),…, (Tn), atașate componentelor: 0,1,…,n ale unui sistem robotic și matricile de rotație corespunzătoare: 0R1, 1R2,…, n-1Rn, este adevărată relația:

0Rn=0R1 *1R2*…*n-1Rn (3.23)

3.2.1.4 Proprietatea de necomutativitate a unui produs dintre 2 matrici.

În general produsul a două matrici nu este comutativ și de cele mai multe ori contează ordinea în care se fac mișcarile de rotație sau ordinea în care se evaluează orientarea relativă între componente. Această proprietate nu mai este valabilă atunci când rotațiile succesive se realizează după aceeași direcție, adică:

R(x,θ1) * R(x,θ2) = R(x,θ2) * R(x,θ1) = R(x,θ1+ θ2) (3.24a)

R(y,θ1) * R(y,θ2) = R(y,θ2) * R(y,θ1) = R(y,θ1+ θ2) (3.24b)

R(z,θ1) * R(z,θ2) = R(z,θ2) * R(z, θ1) = R(z,θ1+ θ2) (3.24c)

3.2.2 Matricile de rotație corespunzătoare unor rotații simple în jurul uneia dintre axele unui reper

Rotație în jurul axei Ox

Fig. 3.7 Rotația în jurul axei Ox

În cazul acestui tip de rotație se pot scrie următoarele relații:

(3.25)

Unde s-au folosit notațiile:

cos= (3.26) sin= (3.27)

Atunci matricea de rotație de la A la B, ARB, folosind relația (3.16) va avea următoarea formă:

ARB = R(x, (3.28)

Rotație în jurul axei Oy

Fig. 3.8 Rotația în jurul axei Oy

În cazul acestui tip de rotație se pot scrie următoarele relații:

(3.29)

Unde s-au folosit aceleași notații de mai sus:

cos= (3.26) sin= (3.27)

Atunci matricea de rotație de la A la B, ARB, folosind relația (3.16) va avea următoarea formă:

ARB = R(y, (3.30)

Rotație în jurul axei Oz

Fig. 3.9 Rotația în jurul axei Oz

În cazul acestui tip de rotație se pot scrie următoarele relații:

(3.31)

Unde s-au folosit aceleași notații de mai sus:

cos= (3.26) sin= (3.27)

Atunci matricea de rotație de la A la B, ARB, folosind relația (3.16) va avea următoarea formă:

ARB = R(z, (3.32)

3.2.3 Matricea de rotație corepunzătoare unghiulor lui Euler.

În cadrul acestui subcapitol se va face calculul matricei de rotație ARB, în cazul în care orientarea relativă dintre reperele (TA) și (TB), atașate componentelor (a) și (B), se realizează folosind unghiurile lui Euler.

Fig. 3.10 Reprezentarea unghiurilor lui Euler

În figura 3.7 sunt reprezentate unghiurile lui Euler:

– unghiul de precesie este unghiul dintre axele (OAyA) și (OAyA’)

– unghiul de rotație proprie este unghiul dintre axele (OByB) și (OAyA”)

– unghiul de nutație este unghiul dintre axele (OAyA’) și (OAyA”)

Apoi (OAN) este linia nodurilor, adică intersecția dintre planele (OAxAyA) și (OBxByB).

Axa (OAyA’) (OAN); (OAyA’) plan(OAxAyA) (OAzA)(OAyA’)

Axa (OAyA”) (OAN); (OAyA”) plan(OBxByB) (OBzB)(OAyA”)

Pentru ca cele două repere să aibe aceeași orientare se realizează suprapunerea reperului (TA) peste reperul (TB) cu ajutorul a 3 rotații succesive, și anume:

Se rotește reperul (TA) în jurul axei (OAzA) cu unghiul de precesie și aplicând relația (3.32) și notațiile din relațiile (3.26) și (3.27) rezultă:

(3.33)

Se rotește reperul (TA) (obținut în urma rotației anterioare), în jurul axei (OAxA) cu unghiul de nutație și aplicând relația (3.28) și notațiile din relațiile (3.26) și (3.27) rezultă:

(3.34)

Se rotește reperul (TA) (obținut în urma celor 2 rotații anterioare), în jurul axei (OAzA) cu unghiul de rotație proprie și aplicând relația (3.32) și notațiile din relațiile (3.26) și (3.27) rezultă:

(3.35)

Cumulând cele 3 mișcări și după aplicarea relației (3.23) în funcție de unghiurile lui Euler, ne rezultă expresia matricei de rotație a lui A față de B, ARB:

ARB=** (3.36)

Iar după înmulțirea celor 3 matrici în ordinea din relația (3.36), ne rezultă expresia finală ARB:

ARB = (3.37)

Relația (3.37) se mai poate scrie și în felul următor:

ARB= (3.38)

Fiecare termen din relația (3.38) corespunde termenului din aceiași poziție din relația (3.37), iar atunci ne rezultă valorile unghiurilor lui Euler:

= (3.39)

= arcos +2k*π (3.40)

Adică în intervalul [0, 2π), avem 2 soluții.

= ATAN2 (3.41)

= ATAN2 (3.42)

Cazul în care 2π reprezintă un caz de singularitate în reprezentarea cu unghiurile lui Euler. [2]

Matricile de transformare omogenă.

Avem reperele (TA)=(OAxAyAzA) și (TB)=(OBxByBzB), care sunt atașate corpurilor (A), respectiv (B) care sunt componente ale unui sistem robotizat (elemente cinematice în componența mecanismului unui robot industrial, obiecte manipulate, componente din cadrul unei celule de fabricație robotizate etc.).

Fig. 3.11 Transformarea omogenă

Matricea de transformare omogenă ATB, este o matrice pătrată de rang 4, ce are următoarea expresie:

ATB = (3.43)

Unde: ARB este matricea de rotație de tipul 3×3; (A)OAOB este o matrice de tipul 3×1; 0 este o matrice de tipul 1×3 cu toate elementele egale cu zero; 1 este scalarul 1.

Pentru un punct oarecare P de coordonate (x,y,z) se poate scrie expresia vectorului de poziție în coordonate omogene, OPom sub forma unei matrici de tipul 4×1, și anume conform figurii 3.9 rezultă:

O = (3.44)

În robotică al patrulea termen al vectorului de poziție este întotdeauna egal cu 1.

Fig. 3.12 Coordonatele punctului P (un punct din spațiul de lucru al celulei)

Din figura 3.11 putem scoate expresia lui (A)OAP, și anume:

(A)OAP = (A)OAOB + ARB* (B)OBP (3.45)

Iar în coordonate omogene rezultă:

(A)OAPom = ATB * (B)OBPom (3.46a)

(B)OAPom = BTA * (A)OAPom (3.46b)

Utilizarea coordonatelor omogene și a matricilor de transformare omogenă, asigură o mai mare compactitate a calcului de analiză pozițională a mecanismelor robotice, chiar dacă necesită un număr mai mare al operațiilor elementare. Metodologia cu coordonate omogene se aplică mai bine pentru simularea funcționării celulelor robotice.

Matricile de transformare omogenă de tip Trans

Atunci când reperele (TA) și (TB) au axele paralele și la fel orientate, la fel ca în figura 3.13, matricea ATB, se numește matrice de transformare omogenă de translație pură și are expresia:

Fig. 3.13 Reperele (TA) și (TB) au axele paralele și la fel orientate

ATB = Trans(a,b,c) = (3.47)

Din figura 3.13 rezultă:

(A)OAOB = (3.48)

Rezultă atunci:

ATB = Trans(a,b,c) = (3.49)

Matricile de transformare omogenă de tip Rot

Matricile de tip Rot sunt matrici ce presupun rotații efectuate numai după una dintre axe.

Cazul în care originile celor două repere (TA) și (TB) coincid, iar matricea de rotație ARB corespunde unei rotații de unghi oarecare a reperului (TB) în jurul uneia din axele reperului (TA), ca în figurile 3.7, 3.8, 3.9 de la subcapitolul anterior, este cazul în care matricea de transformare omogenă ATB, se poate calcula cu una din următoarele relații:

Rot (3.50)

ATB = = = (3.51)

ATB = = = (3.52)

ATB = = = (3.53)

Forma genarală a unei matrici de transformare omogenă:

T = (3.54)

Unde:

R este o matrice de tipul 3×3, care reprezintă zona de orientare;

r este o matrice de forma 3×1, care reprezintă zona de poziție;

0 este o matrice de forma 1×3, cu toți termenii egali cu 0;

1 este scalarul 1

(3.55)

Proprietățile matricilor de transformare omogenă

3.3.3.1 Proprietatea de calcul a inversei matricii.

T = T-1 = (3.56)

Unde:

T-1 – inversa matricii de transformare omogenă;

RT – transpusa matricii de rotație (liniile devin coloane și invers);

0 – matricea linie cu toate elementele egale cu 0;

r – matricea de tip coloană care indică poziția;

1 – scalarul 1

3.3.3.2 Proprietatea de schimbare a bazei unei matrici de transformare omogenă

Avem reperele (TA)=(OAxAyAzA) și (TB)=(OBxByBzB), care sunt atașate corpurilor (A), respectiv (B) care sunt componente ale unui sistem robotizat și avem cele doua matrici de transformare omogenă, ATB și BTA, atunci avem:

BTA = ATB-1 (3.57)

3.3.3.3 Proprietatea de înmulțire a 2 matrici de transformare omogenă

Înmulțirea a două matrici de transformre omogenă are ca rezultat tot o matrice de transformare omogenă, și anume considerând 2 matrici de transformare omogenă T1 și T2, atunci avem:

T1*T2 = * = (3.58)

3.3.3.4 Proprietatea de descompunere a unei matrici de transformare omogenă

Matricea de transformare omogenă poate fi descompusă într-un produs de 2 matrici de transformare omogenă, dintre care una este de translație pură iar cealaltă conține numai componenta de rotație, și anume:

T = = * (3.59)

I3 – matricea unitate de rang 3

3.3.3.5 Proprietatea pașilor intermediari.

Având reperele (T0), (T1) și (T2), atașate corpurilor 0,1 și 2 din cadrul unui sistem robotic, și având și matricile de transformare omogenă corespunzătoare 0T1, 1T2, 0T2, atunci este adevărată relația:

0T2 = 0T1 * 1T2 (3.60)

Acestă proprietate poate fi generalizată foarte ușor pentru reperele (T0), (T1), … , (Tn), ataște corpurilor 0,1, … , n din cadrul unui sistem robotic și matricile de transformare omogenă ale sale: 0T1, 1T2, … , n-1Tn, atunci este adevărată relația:

0Tn = 0T1 * 1T2 * … * n-1Tn (3.61)

3.3.3.6 Proprietatea de necomutativitate a unui produs dintre 2 matrici de transformare omogenă

În general produsul a două matrici de transformare omogenă nu este comutativ, adică contează ordinea în care se fac anumite mișcări cu scopul evaluării poziției și orientării dintre 2 elemente ale sistemului robotic. Această proprietate nu mai este valabilă atunci când se înmulțește o matrice de transformare omogenă de translație pură și una care conține numai componenta de rotație, iar ambele corespund aceleeași axe, adică:

*Trans=Trans (3.62)

Unde:

Trans = și =

*Trans=Trans(3.63)

Unde:

Trans = =

*Trans=Trans (3.64)

Unde:

Trans = =

Concluzie: Analiza pozițională a roboților industriali, prin diversele metode existente, are ca obiectiv stabilirea poziției și orientării componentelor sistemelor robotice în timpul funcționării acestora.

CAPITOLUL 4. ELEMENTE PRIVIND CONSTRUCȚIA ȘI PROGRAMAREA ROBOȚILOR MITSUBISHI RV 2AJ ȘI RV1A

4.1 Generalități

Bibliografie:

Bădoiu Dorin – Mecanica Roboților – Editura Universității Petrol – Gaze din Ploiești – 2006

Bădoiu Dorin – Robotică – Notițe de Curs – Universitatea Petrol – Gaze din Ploiești, anul universitar 2013 – 2014

Zisopol Dragoș Gabriel – Roboți Industriali – Editura Universității Petrol – Gaze din Ploiești – 2006

Rossum’s Universal Robots – KAREL CAPEK

Marcel D. Popa, Alexandru Stănciulescu, Gabriel Florin-Matei, Anicuța Tudor, Carmen Zgăvărdici, Rodica Chiriacescu – Dicționar enciclopedic – Editura Enciclopedică – 1993-2009

http://www.lasersystems.ro/ro/lasere-cu-cristal-solid/lasere-fibr

Dumitriu, A., Bazele Sistemelor Mecatronice, Suport curs, Universitatea „Transilvania” din Brașov, 2006.

http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/industrial-robots/george-devol-a-life-devoted-to-invention-and-robots

http://www.sudura.ro

http://www.robcon.ro

http://www.actionari-electrice.ro

http://www.innorobotics.ro/produse/roboti-industriali/paint-mate/fanuc-paint-mate-200ia

Bibliografie:

Bădoiu Dorin – Mecanica Roboților – Editura Universității Petrol – Gaze din Ploiești – 2006

Bădoiu Dorin – Robotică – Notițe de Curs – Universitatea Petrol – Gaze din Ploiești, anul universitar 2013 – 2014

Zisopol Dragoș Gabriel – Roboți Industriali – Editura Universității Petrol – Gaze din Ploiești – 2006

Rossum’s Universal Robots – KAREL CAPEK

Marcel D. Popa, Alexandru Stănciulescu, Gabriel Florin-Matei, Anicuța Tudor, Carmen Zgăvărdici, Rodica Chiriacescu – Dicționar enciclopedic – Editura Enciclopedică – 1993-2009

http://www.lasersystems.ro/ro/lasere-cu-cristal-solid/lasere-fibr

Dumitriu, A., Bazele Sistemelor Mecatronice, Suport curs, Universitatea „Transilvania” din Brașov, 2006.

http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/industrial-robots/george-devol-a-life-devoted-to-invention-and-robots

http://www.sudura.ro

http://www.robcon.ro

http://www.actionari-electrice.ro

http://www.innorobotics.ro/produse/roboti-industriali/paint-mate/fanuc-paint-mate-200ia