Sisteme Inteligente

Sisteme robotice inteligente,

ROBOTI INDUSTRIALI

Primele cercetari in domeniul roboticii au fost initiate la inceputul anilor '60. Dupa un avant substantial al aplicatiilor roboticii in domeniul industrial, cu precadere in industria automobilelor, la inceputul anilor '90 s-au conturat multiple aplicatii in domeniile neindustriale (nemanufacturiere).

Existã o multitudine de definiții date roboților industriali. Mai nou definițiile roboților industriali au fost standardizate de cãtre principalele țãri producãtoare . Astfel norma francezã NF E61-100/1983 definește robotul industrial astfel :

“ Un robot industrial este un mecanism de manipulare automatã , aservit în poziție , reprogramabil , polivalent , capabil sã poziționeze și sã orienteze materialele, piesele , uneltele sau dispozitivele specializate , în timpul unor mișcãri variabile și programate , destinate executãrii unor sarcini variate.”

Dezvoltarea explozivã a roboților industriali a condus la apariția unui numãr enorm de roboți industriali având cele mai diferite forme și structuri. A apãrut astfel necesitatea clasificãrii roboților industriali dupã anumite criterii. Ei se clasificã astfel :

-Dupã informația de intrare și modul de învãțare al robotului industrial :

1. Manipulator manual, care este acționat direct de cãtre om;

2. Robot secvențial, care are anumiți pași ce “asculta” de o procedurã predeterminatã

3. Robot repetitor (playback). La început omul învațã robotul procedura de lucru, acesta memoreazã procedura, apoi o poate repeta de câte ori este nevoie.

4. Robot cu control numeric. Robotul industrial executã operațiile cerute în conformitate cu informațiile numerice pe care le primește.

5. Robotul inteligent își decide comportamentul pe baza informațiilor primite prin senzorii pe care îi are la dispoziție și prin posibilitãțile sale de recunoaștere.

– Clasificarea dupã numãrul gradelor de libertate.

– Clasificarea dupã spațiul de lucru și greutatea sarcinii manipulate.

– Clasificarea dupã metoda de control.

– Roboți programabili

– Dupã generații sau nivele, în funcție de comanda și gradul de dezvoltare al inteligenței artificiale .

Cele trei grade de libertate ale mecanismului generator de traiectorie pot fi cuple de rotație sau de translație, în timp ce mecanismul de orientare este în general constituit din trei cuple cinematice de rotație

Sistemul mecanic al unui robot industrial de topologie serialã are urmãtoarea structurã:

dispozitiv de ghidare;

dispozitiv de prehensiune .

Dispozitivul de ghidare are rolul de a realiza deplasarea punctului caracteristic și orientarea dreptei caracteristice. El se compune din :

mecanismul generator de traiectorie ;

mecanismul de orientare .

Mecanismul generator de traiectorie are rolul de a poziționa în spațiu punctul caracteristic, deplasându-l din poziția inițialã în cea finalã. Cum poziția unui punct în spațiu este definitã prin intermediul a trei coordonate, rezultã cã mecanismul generator de traiectorie trebuie sã aibã trei grade de libertate.

Mecanismul de orientare trebuie sã realizeze orientarea în spațiu a dreptei caracteristice. Cum aceasta trebuie sã realizeze modificarea celor trei unghiuri Euler care definesc poziția dreptei caracteristice rezultã cã mecanismul de orientare trebuie sã aibã trei grade de libertate.

Deci dispozitivul de ghidare trebuie sã aibã minimum șase grade de libertate pentru a realiza poziționarea și orientarea unui corp ( piesã sau sculã ) în spațiu. In anumite cazuri particulare el poate sã aibã și mai puțin de șase grade de libertate ( ca în cazul corpurilor cilindrice , când un grad de libertate nu-și mai justificã existența datoritã simetriei fațã de axa cilindrului, situație în care cinci grade de libertate sunt suficiente ) sau mai mult de șase grade de libertate atunci când robotul trebuie sã execute anumite operații care necesitã o mare versatilitate ( ca în cazul vopsirii ) . In marea majoritate a cazurilor dispozitivul de ghidare este constituit dintr-un lanț cinematic deschis dar existã și situații când se combinã un lanț cinematic închis (patrulater articulat ) cu unul deschis.

ACȚIONAREA ȘI COMANDA ROBOȚILOR INDUSTRIALI

Sistemul de acționare al roboților industriali servește la transformarea unei energii potențiale ( hidraulicã , electricã , pneumaticã ) în energie mecanicã și transmiterea mișcãrii mecanice rezultate la cuplele cinematice conducãtoare. Deci sistemul de acționare constã din unul sau mai multe motoare rotative sau liniare , transmisii mecanice și mecanisme pentru transmiterea și transformarea mișcãrii mecanice.

Roboții industriali de topologie serialã sunt lanțuri cinematice spațiale deschise cu acționarea independentã a fiecãrei cuple și a dispozitivului de prehensiune. Cuplele cinematice conducãtoare au la dispoziție o sursã de energie exterioarã. In construcția roboților cele mai utilizate surse de energie sunt :

Electricã ;

hidarulicã ;

pneumaticã ;

Pentru acționarea roboților industriali nu se folosesște nici o variantă principial nouă.

Robotica nu a creat noi soluții pentru acționarea roboților industriali dar a preluat ultimele noutãți în ceea ce privesc sistemele de acționare în special din domeniul mașinilor-unelte cu comandã numericã.

Fiecare tip de acționare prezintã avantaje și dezavantaje care îi reconadã în anumite siuații și impun restricții în altele. In cele ce urmeazã vom trece în revistã principalele tipuri de acționare a roboților industriali.

Schema logica a algoritmului de calcul

Algoritmul de calcul cuprinde următoarele secțiuni :

1. Secțiunea de calcul a matricilor de rotatie și de translație.

2. Secțiunea de calcule cinematice, în cadrul cãreia se vor calcula vitezele și accelerațiile unghiulare și liniare ale fiecãrui grad de libertate.

3. Secțiunea de calcul recursiv al forțelor motrice.

4. Secțiunea de trasare a graficelor obținute

Programul de calcul a fost scris în limbajul “MATHEMATICA”, versiunea 2.2. Am ales acest limbaj datorită facilităților deosebite pe care le oferă în special în domeniul calculului matricial. El este un mediu de programare și în același timp un limbaj evoluat. După cum este binecunoscut calculele matematice se împart în trei mari categorii :

calcule numerice

calcule analitice

calcule grafice.

Mathematica le execută pe toate trei. Gama de calcule oferita de Mathematica este mult mai mare decât cea oferită de alte limbaje, ca de exemplu BASIC sau FORTRAN. Dacă de exemplu un limbaj tradițional prezintă facilități pentru aproximativ 30 de operații, Mathematica oferă facilități pentru 750 de operații. Este suficient a tasta denumirea în limba engleza a operației solicitate, începută cu o majusculã pentru a obține rezultatul.

Pentru a rula programele s-a folosit un calculator având următoarea configurație :

PC AT 486/DX2 100MHz/HDD 1,2GB/32MB RAM/.

Redăm mai jos organigrama programului de simulare.

START

1.Date privind parametrii cinematic și inertiali ai robotului

2.Calculul matricilor de transformare ( de rotatie și de translație )

3.Calculul vitezelor și accelerațiilor unghiulare

4 .Calculul vitezelor și accelerațiilor centrelor de masã

5.Calculul recursiv al fortelor și momentelor motrice

6.Trasarea graficelor de variație a fortelor și momentelor motrice

7.Tipărirea graficelor de variație a fortelor și momentelor motrice

SFARSIT

Calculul vitezelor și accelerațiilor centrelor de greutate

Fie ci vectorul de poziție al centrului de greutate, Ci al elementului “i”, i fiind vectorul direcționat de la Oi la Ci

Vectorul de poziție al distanței dintre douã centre de greutate succesive este dat de relația

ci = ci-1-i-1 + ai +i sau, în coordonatele sistemului “i” :[ci]i = QiT [ci-1 +ai +i-1]i-1 + [i]i.

După diferențierea ecuațiilor față de timp obținem următoarele formule :

(i) dacă cupla “i”este de tip R, atunci :[ci] = QiT [ci-1 +wi-1 x (ai-i-1)]i-1 +[wi x i]i

[ci]i = QiT [ci-1 +wi-1 x (ai x i-1) + wi-1 x (wi-1 x (ai-i-1))]i-1 + [wi x i +wi x (wi x i)]i

(ii) dacă cupla cinematică “i” este de tip T, atunci :

[ci]i = QiT [ci-1+wi-1 x (ai-i-1)]i-1 + [wi x i-bi ei]i

[ci]i = QiT [ci-1+wi-1 x (ai-i-1)+wi-1 x(wi-1 x (ai-i-1))]i-1+[wi x i+wi x (wi-1 x i)-bi ei – 2wi x bi ei]i.

Fig.2. Elemente succesive articulate printr-o cuplă de rotație

Fig.3 Elemente succesive articulate printr-o cuplă de translație.

pentru i=1,2,….,n,,unde co și co sunt respectiv viteza și accelerația centrului de greutate al bazei. Dacă baza este aleasă ca sistem inerțial de referință, atunci :

[co]o = 0 și [co]o =0.

In derivarea ecuațiilor am folosit următoarele formulele de derivare ale vectorilor :

wi-1 x ai dacă cupla cinematică “i”este de tipR

ai = wi-1 x ai-bi ei, dacă cupla cinematică “i” este de tip T

Comanda roboților industriali

Principala sarcină a structurii de comandă a mișcării constă în a transfera structura mecanică dintr-o poziție de stare inițială într-una finală. Aceasta implică :

definirea pozițiilor ;

accelerațiilor și vitezelor ;

a forțelor ;

a diferitelor restricții ;

indicarea succesiunii mișcãrilor ;

indicarea duratei mișcãrilor.

Formulând în acest mod problema comenzii, aceasta se rezolvă folosind atât teoria sistemelor , dar dificultățile se datorează nelinearității sistemelor și a dimensiunilor mari ale sistemului condus.

Structurile mecanice pot fi redundante, mai multe configurații putând asigura aceași poziție și orientare a robotului.

In prezent structurile mecanice de manipulare a roboților au sisteme simple de comandă a mișcării , formate din circuite de reglare clasice, independente , pentru fiecare grad de libertate. O astfel de structură nu este adecvată sistemelor multivariabile, neliniare , care în realitate descriu structurile utilizate în practică. Mulți dintre roboții utilizați au performanțe limitate din cauza sistemului de comandă.

Comanda roboților industriali, corespunzătoare structurii generale a unui robot de topologie serială se realizează pe mai multe niveluri ierarhice. O ierarhizare în funcție de creiterii mai specializate conduce la apariția următoarelor niveluri :

nivelul decizional = stabilește planul de acțiune al robotului , în funcție de sarcinile primite și de restricțiile din mediul extern , sesizate de către senzori ;

nivelul strategic = împarte acțiunile generale din planul robotului în operații și mișcări elementare ;

nivelul tactic = descompune mișcările elementare în mișcãri ale fiecărui grad de libertate ;

nivelul de execuție = realizează mișcarea fiecărui grad de libertate .

Numărul nivelurilor ierarhice ale fiecărui robot depinde de complexitatea sistemului de comandă și de sarcinile robotului , dar nu pot lipsi nivelul de execuție și cel tactic.

Domenii variate in care sunt utilizati robotii

Statisticile privind tipurile de roboti arata sugestiv cresteri importante ale numarului robotilor care raspund unor aplicatii neindustriale. Daca in cursul anului 2000 numarul unitatilor instalate a ajuns la 112500, la sfarsitul anului 2004 se estimeaza ca numarul acestora va ajunge la aproape 625000.
Aceasta dezvoltare, chiar spectaculoasa, in directia aplicatiilor neindustriale justifica trecerea in revista in randurile de mai jos a principalelor subdomenii in care robotii nemanufacturieri sau robotii de serviciu isi pot gasi aplicabilitate.
Aceste domenii sunt constructiile, reabilitarea bolnavilor, comert, transport si circulatia marfurilor, administratia locala, protectia mediului inconjurator si agricultura; supraveghere, inspectie, protectia de radiatii si interventii in caz de catastrofe; hoteluri si restaurante; in medicina, gospodarie, hobby si petrecerea timpului liber.
Pentru a sugera aplicatii concrete in aceste subdomenii, aplicatii abordabile in colective interdisciplinare de ingineri, sunt precizate mai departe directiile care pot fi avute in vedere.
In medicina: sisteme robotizate pentru diagnoza prin ecografie, sisteme robotizate pentru interventii neurochirurgicale; telemanipulatoare pentru chirurgie laporoscopica; vehicule ghidate automat pentru transportul bolnavilor imobilizati la pat; vehicule ghidate automat pentru transportul medicamentelor, alimentelor, bauturilor si lenjeriei de schimb; vehicule ghidate automat pentru activitati de curatenie si dezinsectie in spitale; sisteme robotizate pentru pregatirea prin simulare, inainte de operatie, a unor interventii chirurgicale etc.
Pentru reabilitare se pot identifica urmatoarele aplicatii: scaun cu rotile pliant, imbarcabil in autoturisme; manipulator pentru deservirea persoanelor paralizate, vehicul pentru conducerea nevazatorilor etc.
In constructii: vehicul ghidat automat pentru asfaltarea soselelor, sistem robotizat pentru stropirea betonului in constructia tunelurilor; robot mobil pentru cofraje glisante; excavatoare autonome, sistem robotizat pentru compactarea si nivelarea suprafetelor turnate din beton; sistem robotizat pentru inspectarea fatadelor cladirilor; sistem robotizat pentru montarea/demontarea schelelor metalice etc.
In administratia locala: vehicul autonom pentru curatirea zapezii de pe autostrazi; vehicul autonom pentru mentinerea curateniei pe strazi; sistem robotizat pentru inspectia si intretinerea automata a canalelor etc.
Pentru protejarea mediului inconjurator: sistem robotizat de sortare a gunoiului in vederea reciclarii, sistem automat de inspectare, curatare si reconditionare a cosurilor de fum inalte; platforme autonome mobile pentru decontaminarea persoanelor, cladirilor strazilor; vehicul ghidat automat pentru decontaminarea solului etc.

In agricultura, dintre aplicatiile posibile amintim: sistem robotizat de plantare a rasadurilor; sistem robotizat de culegere a fructelor; sistem robotizat de culegere a florilor; sistem robotizat de tundere a oilor etc.
In comert, transporturi, circulatie: vehicule ghidate automat pentru intretinerea curateniei pe suprafete mari (peroane de gari, autogari si aerogari); sistem robotizat de curatire automata a fuselajului si aripilor avioanelor; sistem automatizat de alimentare cu combustibil a autovehiculelor etc.
Hotelurile si restaurantele pot fi prevazute cu: sisteme robotizate pentru pregatirea automata a salilor de restaurant, de conferinte; sistem de manipulare automata a veselei; minibar mobil pentru transportul bauturilor, ziarelor etc.
Pentru siguranta si paza: robot mobil de paza pe timpul noptii in muzee; robot mobil pentru paza cladirilor si santierelor; vehicul autonom pentru stingerea incendiilor; robot mobil pentru detectarea si dezamorsarea minelor; sistem robotizat pentru interventii in spatii periculoase etc.
In gospodarie, pentru hobby si petrecerea timpului liber se pot identifica urmatoarele aplicatii: robot de supraveghere copii pentru diverse intervale de varsta; robot de gestionare si supraveghere generala a locuintei, robot mobil pentru pentru tunderea automata a gazonului; instalatie robotizata pentru curatirea barcilor de agrement si sport etc.
Aspectele prezentate vin sa sprijine intentiile de a demara activitati in domeniul roboticii, unele din acestea putand deveni chiar activitati de succes, care pot constitui adevarate provocari pentru specialistii in robotica sau in domeniile apropiate.

BIBLIOGRAFIE

Witold Jacak -Intelligent robotic systems –Design, planning and control

IFSR International series on System science and Engineering Vol .14

Aggarwal, J. K. and Y. F. Wang (1991). Sensor data fusion in robotic systems, Control and Dynamic

Systems, 39: 435–461.