SISTEM AUTOMAT PENTRU ADUNAREA OBIECTELOR DINTR-O INCINTĂ [303075]

UNIVERSITATEA “POLITEHNICA” BUCUREȘTI

FACULTATEA DE INGINERIE MECANICĂ ȘI MECATRONICĂ

DEPARTAMENTUL DE MECATRONICĂ ȘI MECANICĂ DE PRECIZIE

SISTEM AUTOMAT PENTRU ADUNAREA OBIECTELOR DINTR-O INCINTĂ

Coordonator Științific: Conf. Dr. Ing. GRĂMESCU BOGDAN

Absolvent: [anonimizat]

2018

[anonimizat]-o incintă.

Tehnologia este menită pentru a [anonimizat] a-l [anonimizat], pentru a-i face viața mai ușoară. [anonimizat] a [anonimizat] o viață mai ușoară pentru el și cei din jur. Din această nevoie a omului provine si ideea proiectului de față: se dorește realizarea sarcinii din figura 1.1 de către un sistem mecatronic.

Cu toții am fost sau o [anonimizat]. Într-adevăr, este foarte bine si indicat ca aceștia să fie învățați și responsabilizați sa își „strângă singuri mizeria” [anonimizat], copilul a adormit sau suntem presați de timp.

[anonimizat], sa interacționăm cu persoanele apropiate.

Unul de rolurile tehnologiei în ziua de azi este acela de a [anonimizat], fie indirect prin îndeplinirea unor sarcini atribuite omului oferindu-i acestuia mai mult timp liber.

Stadiul actual al cunoașterii în domeniu

2.1. [anonimizat]. Există o serie de categorii de roboți ce dezvoltă unul sau altul din domeniile și subdomeniile funcțiilor de mai sus. Dintre acești roboti se desprinde o clasă importantă anume aceea a roboților de manipulare. [anonimizat], este existența elementului periferic: dispozitivul de prehensiune (apucare).

Figură 2.1. [anonimizat]ǎ [anonimizat], periculoase pentru sănătate și viață. Adică, [anonimizat]: [anonimizat]: sudură, vopsire, debitare, montaj, etc. Utilizarea roboților cuprinde și domeniul condițiilor de lucru așa zis extreme: [anonimizat], în medii radioactive sau otrăvitoare.

Roboții care sunt concepuți pentru îndeplinirea funcțiilor de manipulare și de comandă în cadrul proceselor productive se numesc roboti industriali. Necesitatea măririi productivității și a calității a condus la o dezvoltare rapidă în ultimele trei decenii a roboticii și a producției de roboti industriali. Cu ajutorul roboților industriali se pot rezolva problemele mecanizării complexe și a [anonimizat], electronic, mecatronică etc.

[anonimizat]duce la universalitate, posibilitatea adaptării (reglării) lor rapide la noile cerințe, cu productivitate maximă și cheltuieli minime. Caracteristicile de mai sus sunt de primă importanță în domeniul producției de serie mică și mijlocie, adică unde s-au dezvoltat sistemele de fabricație flexibilă. [1]

2.2. Scurt Istoric

La începutul anilor ’70, primii roboți performanți pătrundeau în industrie, în diferite sectoare, unde precizia sau viteza de lucru erau indispensabile. Dezvoltarea economică, creșterea puterii de calcul computerizat, cercetările din domeniul bionicii și al biofizicii au permis dezvoltarea, fără precedent, a roboticii. Tendințele actuale arată că, în viitorul apropiat, vom asista la o adevărată invazie a roboților în spațiul public și în spațiul privat.

Figură 2.2. Utilizarea roboților pe liniile de asamblare

În urmă cu 10 ani, cea mai mare parte dintre roboți operau în sectoarele industriei, reprezentând investiții scumpe, cu funcții complexe și capacități de execuție de mare finețe și viteză. Ei erau folosiți, adesea, în sudură, în manipulare și montaj, în diferite operații de construcții de mașini. Cerințele economice și concurențiale au determinat exploatarea lor pe scară largă. La nivelul anului 2006, în lume existau deja 951.000 de roboți industriali în funcțiune (jumătate din ei operând în Asia), cifră care înregistrează, în medie, o creștere de 4 procente pe an. În Europa, creșterea cea mai importantă în producția de roboți industriali, la nivelul anilor 2005-2006, au înregistrat-o Germania și Italia.

Statisticile arată că cei mai mulți roboți industriali în uz sunt în Japonia. La nivelul anului 2004, în Japonia, pentru fiecare grup de 10.000 de angajați, existau 320 de roboți, în timp ce în Germania erau 148, în Italia 114, în Suedia 99, și între 80 și 50 în tari ca Spania, Statele Unite ale Americii, Franța, Finlanda sau Danemarca. Prezenta cea mai mare a roboților industriali este, desigur, în industria auto. Spre exemplu, în industria auto din Japonia, Italia sau Germania, există un robot la fiecare zece lucrători.

În ultimul deceniu, însă, roboții au pătruns și în spațiul serviciilor. Aceștia sunt împărțiți în două categorii. Prima o reprezintă roboții, a căror utilizare a debutat la sfârșitul anilor ‘80, folosiți pentru servicii profesionale, destinați unui câmp foarte larg de activități, de la dezamorsarea echipamentelor explozibile – roboți pirotehnici, până la roboții chirurgicali, sau chiar a celor care mulg, folosiți în industria agroalimentară. Cealaltă categorie o formează roboții pentru servicii personale, într-o creștere semnificativă în ultimii ani. Ei sunt utilizați în casă la spălatul vaselor, la tunderea gazonului sau ca jucării pentru copii. Până la sfârșitul anului 2006, în lume existau deja 3,5 milioane de roboți destinați serviciilor personale, iar numărul lor este așteptat să se dubleze până în 2010.

Figură 2.3. Robotul daVinci coase membrana unei boabe de strugure

Statisticile actuale arată că numărul roboților este în creștere. Dacă în 2002, la nivel mondial numărul estimat de roboți era de 4,49 milioane, din care 3,54 de milioane deserveau sectorul serviciilor, în 2010 numărul este estimat la 8,37 milioane, din care 7,20 milioane vor acoperi același sector.[2]

În momentul actual există pe piață o mare diversitate de roboți ce își găsesc utilitatea în aproape toate domeniile, aceștia fiind un foarte bun ajutor sau chiar înlocuitor al factorului uman și nu numai. Acum roboții își găsesc utilitatea în jurul omului chiar și în gospodăriile proprii, satisfăcând-le diverse nevoi de la cele mai complexe pana la cele mai banale, spre exemplu: roboți terapeutici, roboți ca însoțitor permanent al omului, roboți ce gătesc, roboți pentru curățenie și lista poate continua.

2.3. Tipuri de locomoție

Locomoția roboților mobili pe suprafețe și în diverse medii se poate baza pe principii diferite. Cel mai larg răspândite tipuri de locomoție sunt mișcări care utilizează dispozitive externe speciale cum ar fi roțile, picioarele, pistele și elicele. De asemenea, locomoția sistemelor cu mai multe corpuri se poate baza pe schimbarea periodică a configurației sistemului de mișcare. Unele dintre aceste tipuri de locomoție sunt similare cu cele folosite de organismele vii: animale, pești și insecte. Alte tipuri nu au analogie directă în natură. [3]

Figură 2.4. RoboTrac, sistem hibrid de locomoție pentru teren accidentat

Probleme cheie pentru locomoție

Locomoția este complementul manipulării. În manipulare, brațul robotului este fix, dar mișcă obiecte în spațiul de lucru, dându-le forță. În locomoție, mediul înconjurător este fixat, iar robotul se mișcă prin impunerea forței asupra mediului. În ambele cazuri, baza științifică este studiul căutătorilor care generează forțe de interacțiune și mecanisme care implementează proprietățile cinematice și dinamice dorite. Locomoția și manipularea împărtășesc aceleași aspecte fundamentale ale stabilității, caracteristicilor de contact și tipului de mediu:

Stabilitate

numărul și geometria punctelor de contact

centrul de greutate

stabilitate statică / dinamică

înclinația terenului

Caracteristicile contactului

mărimea și forma punctului de contact;

unghiul de contact

frecare

Tipul de mediu

structura

mediu (de exemplu apă, aer, moale sau tare) [4]

2.3.1. Tipuri de locomoție non-convenționale

Mișcări de tip șarpe

Mișcările de tip șarpe au provocat întotdeauna interes în biomecanică și robotică. Se consideră un sistem cu mai multe conexiuni (Figură 2.6), situat pe un plan orizontal și constând din legături rigide drepte conectate consecutiv de îmbinări cilindrice, unde sunt plasate dispozitivele de acționare. Notăm prin li lungimea liniei i, prin mi masa cuplei cinematice i și prin Mi cuplul creat de căutătorul i. Pentru a simplifica calculele, neglijăm masele legăturilor comparativ cu cele ale cuplelor cinematice. Sistemul este supus forțelor de frecare uscate care respectă legea lui Coulomb:

Aici, k este coeficientul de frecare și g este accelerația gravitațională.

Figură 2.6. Sistem cu mai multe articulații

Deplasare în lichide

Roboții mobili care imită înotul peștilor au fost discutate în multe lucrări. Se iau în considerare mișcări optime în lichide pentru sistemele cu mai multe conexiuni, care constau dintr-un corp principal și mai multe legături cilindrice atașate de el. Un sistem asemănător cu un pește are o legătură (o coadă) atașată la corpul principal, în timp ce un sistem asemănător cu broaștele are o pereche de picioare simetrice care constau din două legături fiecare (figura 2). Servomotoarele instalate la îmbinări fac ca legăturile sa efectueze mișcări oscilatorii periodice în jurul axei de simetrie a sistemului. Toate elementele sistemului sunt supuse forțelor de rezistență, care sunt proporționale cu pătratul vitezei elementului, și îndreptate împotriva acestei viteze. Analiza ecuațiilor de mișcare arată că atât sistemele asemănătoare cu cele de pește, cât și cele de tip broască se pot mișca progresiv de-a lungul axelor proprii. Vitezele lor medii depind de parametrii sistemului și de mișcările relative periodice din legăturile atașate.

Figură 2.7. Sisteme asemănătoare peștilor si broaștelor

Sunt găsite mișcări relative optimale corespunzătoare vitezei medii maxime. Aceste mișcări optime au următoarea proprietate calitativă caracteristică: vitezele unghiulare ale deformării legăturilor de la axa lui de simetrie sunt mai mici decât vitezele unghiulare ale revenirii lor pe axă. Această proprietate este confirmată de observațiile creaturilor înotătoare.[3]

2.3.2. Tipuri de locomoție convenționale

Roboți cu picioare

Locomoția cu picioare este caracterizată de o serie de contacte punctiforme între robot și sol. Printre avantajele cheie se numără adaptabilitatea și manevrabilitatea pe teren accidentat. Deoarece este necesar doar un set de contacte punctuale, calitatea terenului dintre acestea punctele nu contează atâta timp cât robotul poate să mențină o distanță adecvată la sol. În plus, un robot de mers pe jos este capabil să traverseze o gaură sau o prăpastie atâta timp cât pasul pe care îl face este mai mare decât lățimea găurii. Un avantaj final al locomoției cu picioare este potențialul de manipulare obiecte din mediul înconjurător cu o înaltă pricepere. Un exemplu excelent de insecte, gândacul de gunoi, este capabil să rotească o minge în timp ce se deplasează prin intermediul picioarelor sale frontale agere.

Principalele dezavantaje ale locomoției cu picioare includ complexitate mecanică și alimentarea. Piciorul, care poate include mai multe grade de libertate, trebuie să fie capabil să susțină parte din greutatea totală a robotului, iar în cazuri trebuie să fie capabil să ridice și să coboare robotul. În plus, manevrabilitatea ridicată va fi realizată numai dacă picioarele au un suficient număr de grade de libertate pentru a transmite forțele într-o serie de direcții diferite.

Figură 2.8. Dispunerea si numărul picioarelor pentru diverse vietăți

Roboți cu roti

Roata a fost de departe cel mai popular mecanism de locomoție în robotică mobilă și în vehiculele antropice în general. Se poate obține o eficiență foarte bună, acest lucru fiind posibil cu o implementare mecanică relativ simplă.

În plus, echilibrul nu este, de obicei, o problemă de cercetare în proiectarea roboților cu roți, deoarece roboții cu roți sunt aproape întotdeauna proiectați astfel încât toate roțile să fie în contact cu solul în permanență. Astfel, trei roți sunt suficiente pentru a garanta un echilibru stabil, deși roboții pe două roți pot fi, de asemenea, stabili. Când se folosesc mai mult de trei roți, este necesar un sistem de suspensie pentru a permite tuturor roților să mențină contactul la sol atunci când robotul întâmpină un teren neuniform.

În loc să își facă griji cu privire la echilibru, cercetarea roboților cu roți tinde să se concentreze asupra problemelor de tracțiune și stabilitate, manevrabilitate și control: roțile robotului pot oferi tracțiune și stabilitate suficiente pentru ca robotul să acopere întregul teren dorit și configurația robotului cu roți permite un control suficient asupra vitezei robotului? [4]

Figură 2.9. Cele patru tipuri de roți de bază: (a) roată standard: două grade de libertate; rotație în jurul axei roții și a punctului de contact. (b) roată cu role: două grade de libertate; rotație în jurul unei axe decalate. (c) roata suedeză: trei grade de libertate; rotație în jurul axei roții, în jurul rolelor și în jurul punctului de contact. (d) Roată cu bile sau sferice: realizare, din punct de vedere tehnic, dificilă.

2.4. Roboți terapeutici

Pe măsură ce populația lumii sporește și îmbătrânește, cei ce vor avea nevoie de sprijinul constant al unui însoțitor permanent – fie el uman sau robotic – sunt tot mai numeroși. Iar cum, în sistemul actual, îngrijirea de către personal uman specializat are problemele ei, s-ar putea ca o mare parte din treabă să revină roboților – cel puțin pentru cazurile mai ușoare – degrevând personalul medical și de asistență socială, care s-ar putea astfel ocupa preponderent de cazurile mai complicate, ce necesită abordarea mai subtilă, mai aprofundată și mai complexă de care e capabilă ființa umană.

În anul 2003, în lumea zoo-creaturilor robotice și-a făcut apariția Paro, un pui de focă animatronic. Însă, spre deosebire de numeroasele animăluțe animatronice – unele foarte realist imitate – scoase pe piață de japonezi (precum pisica NeCoRo), Paro nu e pur și simplu o jucărie: e un robot terapeutic.

Figură 2.10. Robot terapeutic Paro[6]

Puiul de focă a fost gândit pentru a fi util persoanelor vârstnice și/sau afectate de boli precum demența și cărora singurătatea și lipsa manifestărilor de afecțiune le agravează situația. Numeroase studii anterioare arătaseră că prezenta unui animal – câine, pisică – era de un real ajutor acestor persoane, înviorându-le, calmându-le, ajutându-le să relaționeze mai bine cu lumea din jur. Însă prezenta unui animal viu presupune, din partea deținătorului său, o implicare de care aceste persoane nu sunt întotdeauna capabile; în plus, prezența animalelor ar crea probleme specifice în spitale și cămine de bătrâni.

În Japonia cea pasionată de roboți, soluția a părut la mintea oricui: construirea unui companion animatronic. Rămânea doar să îl facă îndeajuns de sofisticat. Așa a apărut Paro, care costă în jur de 7.000 USD. A început să fie folosit în anul 2003 în Japonia și în Europa, ajungând apoi în America de Nord. Prin îmbunătățiri succesive, a ajuns astăzi la a opta generație.

Dotat cu mai multe tipuri de senzori, capabil să perceapă reacțiile și chiar să interpreteze anumite emoții ale persoanelor, Paro este capabil să interacționeze cu oamenii într-un mod complex și, se pare, foarte reconfortant pentru pacienți. Dovadă faptul că, după Japonia, are succes și în SUA, unde a fost testat în câteva cămine de bătrâni.

Paro reacționează la atingerile umane și, spun creatorii săi, fiind capabil de învățare, își dezvoltă, cu timpul, chiar o personalitate pe placul utilizatorului. Există oameni care îl tratează ca pe un membru al familiei, ajungând chiar să-l umanizeze oarecum, așa cum fac și cu animalele de casă. Totuși, Paro rămâne un robot terapeutic, cu un rol important în viața unor pacienți cu tulburări severe de sănătate. De pildă, își găsește una dintre utilizările cele mai interesante în tratamentul persoanelor ce suferă de demență; mulți dintre acești pacienți, care sunt adesea agitați și chiar violenți, se calmează ținând-l în brațe pe Paro, mângâindu-l și interacționând cu el – o metodă mai blândă și lipsită de efecte secundare, în comparație cu "îndoparea" cu tranchilizante.[5]

2.5. Roboți ca însoțitor permanent al omului

Cea mai recentă creație în domeniul roboților însoțitori este robotul Kompai, apărut pentru prima dată în Japonia în anul 2009 si care este conceput pentru a satisface nevoia de asistență permanentă a omului. Beneficiarii acestei tehnologii sunt în general persoanele care au o vârstă înaintată sau persoanele cu dizabilități și, de aceea, în acest scop enumeră o serie de facilități cum are fi:

– Securitate: Kompai oferă asistență în cazul în care utilizatorul cade, acesta alertând persoanele desemnate pentru a fi înștiințate în aceste situații sau poate alerta chiar și serviciile de urgență;

– Kompai poate monitoriza starea de sănătate a utilizatorului, îi poate aminti acestuia date referitoare la medicamentație sau poate înștiința personalul medical cu privire la situația pacientului.

– Kompai este un mijloc foarte bun prin care utilizatorul poate fi pus in legătură cu cei dragi, acesta fiind dotat cu un ecran tactil si o camera video.

Dotată cu capacități de recunoaștere a chipului, capabilă să răspundă la comenzi vocale și să interacționeze cu omul vorbind ea însăși cu o voce feminină plăcută, Kompai e utilă nu numai prin faptul că tine evidența întâlnirilor programate și updatează lista de cumpărături, ci și prin simpla ei prezență: pentru cineva care locuiește singur și are și oarece probleme de sănătate, care îi îngreunează deplasarea, e grozav să aibă o astfel de ajutoare casnică, neobosită, cooperantă, fără toane, plină de solicitudine – în limita capacităților ei robotice, evident. Cuvântul-cheie e prezență – Kompai e o prezență, cineva cunoscut aflat în casă, care dă iluzia companiei. (Există studii care arată că mulți oameni dau drumul la televizor, când sunt singuri, chiar dacă nu se uită la el, pentru că îl percep ca pe o prezență – le dă impresia că nu sunt singuri în casă.). [5]

Figură 2.12. Robotul însoțitor Kompai oferind asistență în administrația medicamentației

2.6. Roboți pentru curățenie

O altă categorie de roboți ce se află în jurul omului, de data aceasta mai accesibili publicului larg din punct de vedere al prețului de achiziție, este categoria roboților pentru curățenie, în special cei pentru curățarea podelelor. Acest tip de roboți a cunoscut o deosebită expansiune in ultimii ani, tot mai multe companii de electronice si electrocasnice începând să construiască aceste modele întrucât cererea pe piață este foarte mare. S-au pus probleme legate de autonomia energetică, de posibilitatea programării perioadelor de funcționare ale robotului dar și, de ce nu, posibilitatea de a te conecta cu robotul prin intermediul telefonului. Se dorește autonomia robotului față de utilizator, robotul putând avea chiar și posibilitatea de autoîncărcare.

Unul dintre cei mai buni roboți în acest domeniu este robotul Roomba 980 produs de firma iRobot. Acesta vine cu o serie de avantaje față de predecesorii săi printre care, cea mai importantă ar putea fi autonomia bateriei, aceasta fiind de 120 de minute; prețul de achiziție fiind de 900$.

Figură 2.13. Robot pentru curățenie Roomba

Printre facilitățile pe care le aduce robotul Roomba 980 se enumeră: posibilitatea controlării acestuia cu ajutorul telefonului, astfel utilizatorul poate programa perioade de timp în care robotul să funcționeze, poate primi raporturi privitoare la sarcinile îndeplinite cât și o hartă a zonelor curățate. Conexiunea se face prin Wi-Fi, așadar distanța de la care robotul poate fi controlat nu reprezintă o problemă. Robotul a fost conceput pentru a curăța toate tipurile de suprafețe indiferent de dificultatea sarcinii, acesta adaptând puterea de curățare în funcție de suprafața pe care o recunoaște. [8]

2.7. Sisteme pentru sortarea obiectelor

2.7.1. Sistem de sortat bazat pe examinarea luminii provenite de la obiecte

O mașină de sortare este descoperită pentru sortarea obiectelor examinând lumina de la obiecte în cel puțin două părți diferite ale spectrului. Obiectele care urmează să fie sortate sunt alimentate la o zonă de vizionare în care acestea sunt iluminate în cel puțin două părți diferite ale spectrului. Obiectele care trec prin zona de vizionare sunt văzute împotriva a cel puțin un fundal care este iluminat de cel puțin doua unități de iluminare care sunt separate de iluminatul utilizat pentru a ilumina zona de vizionare, prima respectiv a doua unitate de iluminare sunt aranjate astfel încât fundalul respectiv să emită lumină în cel puțin două părți diferite ale spectrului. A sortator este folosit pentru a determina dacă obiectele care au fost privite astfel sunt dorite; există un separator de obiecte controlat de sortator, pentru realizarea unei separări relative între obiectele dorite și nedorite.

Această invenție se referă la o mașină pentru sortarea obiectelor examinând lumina reflectată sau transmisă de către obiectele din cel puțin două părți diferite ale spectrului. Astfel, deși invenția nu este atât de limitată, se referă mai ales la o sortare bicromatică ce observă lumina reflectată de suprafața obiectelor pentru a separa aceste obiecte care au culoarea sau reflexia dorite de acestea care nu.

Astfel de mașini sunt utilizate în mod obișnuit în procesul de prelucrare de produse agricole, cum ar fi orez, cafea și fasole, și, de asemenea, în purificarea mineralelor, fie în forma de fluxuri de particule fine sau sub formă de bulgări de minereu. Astfel de mașini văd de obicei obiectele care trebuie sortate pe fundal și caută diferențe între fundal și reflexiile unor astfel de obiecte. [9]

2.7.2. Sistem pentru identificarea și separarea recipientelor de plastic

Prezenta invenție se referă în general la un dispozitiv pentru identificarea și separarea recipientelor din plastic și în special la un dispozitiv de identificare și separare a recipientelor din policlorură de vinil (PVC), recipiente din polietilenă (PET), din polipropilenă (PP) și recipiente din polietilenă de înaltă densitate (HDPE).

Figură 2.15. Sistem pentru identificarea și separarea recipientelor de plastic

În prezentul procedeu și aparat, radiația electromagnetică este proiectată prin diferite tipuri de materiale plastice precum recipientele din plastic. Datele primite de la emițătoarele de radiație electromagnetică sunt receptate de o matrice de senzori. Sunt citiri multiple pentru o sticlă de plastic în timp ce trece sub senzor. Măsurătorile din ieșirea matricei de senzori sunt apoi transmise către calculator. Materialele sunt apoi separate în trei clase. Prima clasă conține recipiente din policlorură de vinil (PVC) și din polietilenă (PET). Clasa a doua conține polipropilenă (PP) și polietilenă naturală de înaltă densitate (HDPE), în principal containere de lapte. Clasa a treia conține materiale opace cum ar fi containere de polietilenă de înaltă densitate (HDPE) rigide, colorate mixt, containere opace de policlorură de vinil (PVC), containere opace de polistiren (PS) și recipiente opace din polipropilenă (PP). Grupurile de materiale plastice conținute în fiecare dintre clase se separă apoi folosind aceleași sau alte mijloace de detectare. [10]

2.7.3. Sistem de sortare prin rejecție

O mașină de sortare pentru separarea elementelor necorespunzătoare dintr-un flux continuu de produse este prezentată în care ejectorul care elimină elementele necorespunzătoare detectate include un deget ejector și un actuator. Degetul ejector include un element de bază alungit flexibil fixat atașat

fidel cu fluxul de produse și un contactor normal închis din fluxul de produse atunci când produsele standard sunt în flux și pentru indicarea fluxului de produse pentru a evacua un element necorespunzător detectat. Servomotorul acționează elementul flexibil de bază alungit pentru a mișca contactorul ejector astfel încât acesta intervine în fluxul de produse pentru a elimina fiecare articol neconform detectat. Elementul de bază alungit flexibil face ejectorul mai rezistent la uzură în condițiile mediului înconjurător. Un mecanism de sortare flexibil bazat pe rejecție este de asemenea prezentat ceea ce îndepărtează mecanismele costisitoare. [11]

2.8. Roboți ce gătesc

Moley Robotics a creat primul robot de gătit inteligent complet automatizat. Învață rețete, le gătește și curăță după ea însăși! Acesta poate imita exact acțiunile unui bucătar-șef, aducând o varietate de feluri de mâncare delicioase, preparate la standardele de clasă mondială, la bucătăria internă și alte zone de preparare a produselor alimentare. Sistemul cuprinde o serie completă de aparate, dulapuri, elemente de siguranță, calcul și robotică.

Moley transformă visul de acces nelimitat la bucătari și rețetele lor la nivel mondial în realitate, cu posibilitatea ca robotul să creeze preparatele pentru tine; aducând mâncăruri din întreaga lume sau chiar gătind rețete proprii și împărtășindu-le cu alții în propria casă.

Figură 2.18. Bucătărie automată Moley

Prototipul a fost premiat pentru o recunoaștere pe scară largă la Hanover Messe, spectacolul internațional de robotică. [12]

Bucătăria inteligentă Moley este încă în faza de dezvoltare. „Varianta de consum care va fi lansată în 2018 va fi susținută de o bibliotecă de rețete cu stil iTunes”, anunță site-ul www.moley.com.

Alegerea și prezentarea soluției proprii

Pentru alegerea structurii mecanice a sistemului au fost luate în considerare particularitățile spațiului (dimensiuni, contur, prezența obstacolelor staționare și/sau mobile) în care acesta va activa dar si elementele caracteristice ale obiectului de lucru (masă, formă, dimensiuni).

Soluția pentru care s-a optat este aceea a unui braț robotic cu patru grade de libertate amplasat pe o structură robotică mobilă cu două roți mobile și patru puncte de sprijin. Cuplele cinematice corespunzătoare gradelor de libertate sunt acționate de motoare RC servo, MG996R. În ceea ce privește dispozitivul de prehensiune, acesta v-a fi acționat de către un motor RC microservo SG 90. Roțile motoare vor fi antrenate de motoare de tip RC servo cu rotație continuă, sistemul de transmisie fiind diferențial.

Figură 3. 1. Schema cinematică a ansamblului

Sistemul mecatronic este conceput cu scopul de a activa într-un spațiu în care prezența factorului uman poate fi sau nu detectată, de aceea vor fi luate măsuri cu privire la protecția utilizatorului. Tot în vederea protecției dar de data aceasta a mediului în care sistemul lucrează, o serie de senzori îl vor ține la o distanță sigură atât pentru acesta cât si pentru obiectele din jurul său. Vor fi utilizate semnale luminoase cu scopul de a indica prezența obstacolelor în imediata sa apropiere.

Figură 3. 2. Schema bloc a sistemului

Ideea de interfață prietenoasă dar și dorința de urmare a tendinței în evoluția tehnologiei în vederea realizării unei căi de comunicare modernă cu utilizatorul vor fi luate în considerare în proiectarea sistemului. În acest sens se dorește realizarea unei aplicații pentru telefon ce va avea drept scop controlul sistemului în modul de lucru manual întrucât acest mod va face la rândul lui parte din opțiunile sistemului.

Pentru a crește gradul de siguranță, acesta va fi limitat în a executa numai anumite mișcări predefinite, mișcări care vor fi specificate utilizatorului si vor fi ușor de intuit de către acesta.

Sistemul dispune de autonomie energetică, existând semnale luminoase care să indice un nivel scăzut al tensiunii la bornele acestora, implicit necesitatea reîncărcării lor.

Selecția obiectelor ce se doresc a fi transportate se face de către utilizator, sistemul adunând numai obiectele care i-au fost specificate. În scopul realizării selecției se utilizează o soluție hibridă, compusă din doua metode de selecție des întâlnite în acest tip de aplicații si de astfel foarte bine cunoscute.

Sistemul va dispune si de o zona de depozitare atașată în spatele său, dimensiunile acesteia fiind variabile, utilizatorul având posibilitatea de a-și alege dintr-o serie de dimensiuni recomandate pentru funcționarea optimă a sistemului.

Figură 3. 3. Sistem automat pentru colectarea obiectelor într-o incintă. Proiectare 3D

Spre deosebire de dispozitivele de curățenie existente în prezent pe piață, acesta este specializat în colectarea obiectelor de dimensiuni mult mai mari, fiind posibilă și o sortare a acestora precum și depozitarea în funcție de aceste criterii de sortare.

Sistemul este compact, ocupând un volum relativ mic de 440x182x185 mm3 , ceea ce ii permite să opereze chiar și în zone greu accesibile. De asemenea, alegerea lemnului de plop ca material pentru realizarea structurii mecanice precum și alegerea unei game de culori vii pentru piesele realizate prin imprimare 3D conferă robotului un aspect plăcut, colorat, ceea ce îl face să se integreze foarte bine printre oameni.

În figura 3.4 se poate observa de asemenea și butonul de start-stop al sistemului ce trebuie acționat de către utilizator.

Figură 3. 4. Vedere laterală a robotului

Figură 3. 5. Sistem automat pentru adunarea obiectelor dintr-o incintă-vedere de sus

Memoriu tehnic

4.1. Alegerea dispozitivului de prehensiune

În alegerea dispozitivului de prehensiune s-a plecat de la geometria și dimensiunile obiectelor ce se doresc a fi manipulate. Pentru a demonstra principiul de selecție al obiectelor de lucru, acestea au fost alese dintr-o gamă restrânsă la nivelul pieselor de construit (spre exemplu cărămizile LEGO), acestea fiind ușor de manipulat și categorisit.

Acestea au o formă paralelipiped dreptunghică, fiind ușor de apucat cu dispozitive de prehensiune cu bacuri cu mișcare plan-paralelă. În acest sens a fost ales un dispozitiv de apucare cu degete oscilante și mecanism paralelogram, deschiderea maximă a acestuia fiind de aproximativ 54 de mm. Acționarea degetelor se face printr-o transmisie cu roți dințate iar pentru generarea mișcării de rotație, una dintre roți este concomitentă cu arborele unui motor de tip RC servo SG90, ce prezintă caracteristici potrivite pentru acest tip de aplicație. Acest motor are dimensiuni reduse (aproximativ 22.2 x 11.8 x 31 mm3), masă redusă (9g), generează un cuplu suficient de 1.8 Kgf∙cm la o tensiune nominală de 5V, iar viteza unghiulară a acestuia este de 0.1s/60ș. Pentru închiderea și deschiderea bacurilor, servomotorul va fi adus la unghiurile de 60ș respectiv 160ș.

4.1.1. Proiectarea mecanică a subansamblului Dispozitiv de prehensiune

După alegerea tipului de mecanism de transmitere a mișcării, a motorului desemnat pentru acționarea acestui mecanism, dar și deschiderea necesară, a urmat proiectarea mecanică a dispozitivului de apucare. Aceasta a fost realizată în mediul de proiectarea asistată de calculator SolidWorks.

Subansamblul Dispozitiv de prehensiune (figură 4.3) a fost realizat prin combinarea mai multor piese (realizate conform Anexei 3).

Figură 4. 3. Model 3D al dispozitivului de prehensiune: a)vedere din lateral; b)vedere de sus

Realizarea acestui model tridimensional permite existența unei variații în ceea ce privește materialul din care poate fi făcut, cât și în ceea ce privește tehnologia de execuție. În acest sens, dispozitivul de prehensiune poate fi realizat din materiale precum lemnul sau materiale plastice. Utilizând liniile de contur prezentate în desenele de execuție aferente Anexei 3, se poate realiza un model bidimensional al subsistemului (a se respecta numărul de piese), model ce poate fi utilizat pentru un procedeu de debitare din diverse materiale prietenoase cu utilizatorul (lemn, plexiglas); de asemenea se pot realiza modele 3D pe baza acestor desene cu scopul realizării prin procedee de depunere de straturi.

4.1.2. Calculul forței de strângere asupra obiectelor de lucru

Obiectele de lucru desemnate pentru a fi manipulate e către brațul robotic prezintă o rugozitate mică a suprafețelor, de asemenea rugozitatea suprafețelor materialului din care sunt confecționate degetele mâinii mecanice este mică, acest lucru ducând le necesitatea îmbrăcării degetelor dispozitivului de apucare într-un material care să ne permită micșorarea forței e strângere necesară învingerii forței de greutate a obiectului de lucru; acest material este cauciucul.

Se consideră un coeficient de frecare (µ) între bacuri și obiectul de lucru de 0.7, o masă (m) de 50 g a obiectului de lucru, un coeficient de siguranță () de 1.5, accelerația gravitațională (g) 9.81 și se calculează forța necesară de strângere a obiectelor de lucru utilizând formula:

Cunoscând forța necesară prinderii obiectului de lucru și lungimea (l) de la motor pana la punctul de acționare asupra obiectului de 60 de mm, se poate determina momentul necesar pentru a acționa asupra obiectului de lucru:

Figură 4. 5. Lungimea l

4.2. Proiectarea subansamblului Braț robotic

Pentru manipularea obiectelor de lucru a fost proiectat și realizat un braț robotic cu patru grade de libertate de tipul RRRR., primul grad de libertate fiind rotația în jurul axei Z a robotului, celelalte grade de libertate fiind rotații în jurului axei Y a robotului (fig.4.6).

Figură 4. 6. Reprezentare schematică a brațului robotic

Fiind așezat pe o structură robotică mobilă, brațul robotic se află la o distanță de 80 de mm față de sol. Datorită platformei pe care se află robotul, care are o lungime de 135 de mm în fața acestuia, cele două antebrațe determinate de lungimile l1 și l2 vor fi limitate la distanța de maxim 80 de mm față de sol, acestea neputând ajunge sub valoarea menționată. Această limitare există doar la operarea obiectelor de lucru care se află în fața robotului, lăsând posibilitatea, prin realizarea unor mișcări mai complexe, manipulării cu mai multă libertate a obiectelor din zonele laterale a robotului.

Lungimile antebrațelor l1, l2, l3 au fost alese de 117 mm pentru l1 și l2 și de 42 de mm pentru l3. Suma acestor lungimi, împreună cu lungimea dispozitivului de apucare (în poziție închis), conferă brațului robotic, în poziția în care acesta este întins înainte (fig.4.7), o lungime de aproximativ 350 de mm, fapt ce determină posibilitatea de a avea unu spațiu de lucru definit de un sfert de sferă de rază 350 de mm. Există posibilitatea extinderii spațiului de lucru la dimensiunile unei semisfere prin înlocuirea servomotorului RC desemnat pentru determinarea primului grad de libertate, cum un motor de rotație continuă.

Figură 4. 7. Lungime totală a brațului robotic

Această lungime va permite robotului să manipuleze obiecte ce se află sub mobilier de mică înălțime, zone în care nu îi este permis accesul integral (fig4.8).

Figură 4. 8. Situație specială

Manipularea obiectelor de lucru în aceste zone se va face printr-o serie specială de mișcări ale robotului, acesta coborând brațul robotic, așezând dispozitivul de apucare paralel cu podeaua. Avansul către obiectul de lucru se va face astfel încât numai brațul robotic va ajunge în zonă, protejând astfel brațul robotic de obstacole (fig.4.9)

Figură 4. 9. Mod de abordare al situației

4.2.1. Proiectare mecanică

Din punct de vedere mecanic brațul robotic a fost proiectat din plăci paralele, unele cu rolul de a susține motoarele destinate acționării cuplelor cinematice, altele cu rolul de a conecta arborii motoarelor cu alte elemente ce aparțin cuplelor cinematice. O altă placă ce aparține acestui subansamblu este cea aferentă batiului brațului robotic. Pentru rigidizarea structurii dar si asigurării paralelismului între plăci, acestea sunt conectate între ele prin distanțiere de diverse lungimi, acestea putând fi găsite în comerț (figura 4.10).

Și de această dată a fost realizat un model tridimensional ce permite existența unei variații în ceea ce privește materialul din care poate fi făcut, cât și în ceea ce privește tehnologia de execuție. În acest sens, brațului robotic poate fi realizat din lemn sau materiale plastice. Utilizând liniile de contur prezentate în desenele de execuție aferente Anexei 4, se poate realiza un model bidimensional al subsistemului (a se respecta numărul de piese), model ce poate fi utilizat pentru un procedeu de debitare din diverse materiale prietenoase cu utilizatorul (lemn, plexiglas); de asemenea se pot realiza modele 3D pe baza acestor desene cu scopul realizării prin procedee de depunere de straturi.

Figură 4. 11. Piesă din subansamblul braț robotic

Pentru a completa subansamblul, a fost realizată o piesă prin procedeul de imprimare 3D (figura 4.12) ce reprezintă suportul unui arbore destinat susținerii plăcilor care nu sunt conectate la motoare. Pentru a înlocui frecarea de alunecare dintre arbore și placă cu frecare de rostogolire, în placi au fost realizate alezaje în care au fost montați rulmenți radiali cu bile. Arborii sunt presați în rulmenți, iar rulmenții în placi (figura 4.13). Rulmenții utilizați se regăsesc în catalogul de produse SKF sunt denumirea de W 623 R-2Z.

Figură 4. 13. Utilizarea rulmenților

Lagărele prin rostogolire au în construcția lor un cuzinet de o formă specială, denumit rulment, prin care se deosebesc esențial de lagărele prin alunecare. Mișcarea relativă dintre fus și lagăr se realizează prin rostogolirea unor corpuri interpuse între aceste două elemente și intrate în compunerea rulmentului. De aici rezultă avantajele lagărelor prin rostogolire, care sunt: frecare mică și portanță mai mare decât la lagărele pentru vârfuri; întrucât la componentele unui rulment radial cu bile rostogolire nu apare inerție sesizabilă la începutul mișcării, există o diferență neînsemnată între frecarea la pornire și cea de regim; uzură și încălzire reduse; consum mic de lubrifiant; jocuri radiale reduse; rigiditate mai mare; înlocuire ușoară și cu posibilitatea unui grad mai mare de standardizare. Ca dezavantaje se pot menționa: gabarit de diametru mai mare și greutate mai mare; funcționare mai puțin liniștită; durabilitate scăzută, mai ales la turații ridicate; precizie mai mare la montaj, deci tehnologie mai pretențioasă și preț de cost mai ridicat. Trebuie menționat că rulmenții au coeficienți de calitate a frecării foarte buni. Rulmentul standardizat radial se compune din mai multe mai multe părți elementare, și anume: un inel interior, unul exterior, corpuri de rostogolire care sunt piese identice ca formă și echidistante și execută rularea unui inel pe celălalt de-a lungul unor șanțuri prelucrate în inele (căile de rulare), o colivie a rulmentului ce reprezintă o piesă ștanțată având rolul de distanțare și centrare a corpurilor de rostogolire. Clasificarea rulmenților standardizați se face ținând seama și de forma elementului de rulare; în cazul nostru, bilă. Aceștia sunt și cei mai des utilizați în mecanica fină și, pe lângă sarcina radială, pot prelua și o sarcină axială de până la 70% din sarcina radială de calcul neutilizată. Se pot folosi la viteze ridicate, limitează deplasarea axială a arborelui față de carcasă la jocul axial și permit o înclinare a arborelui de maximum 15ș.

Materialele din care se execută piesele rulmenților standardizați (inelul, bilele) sunt oțelul Rul 1 și Rul 2, conform STAS 1 456-75. Colivia se execută din oțeluri rezistente la coroziune (7 NC 180), alamă și, în ultimul timp, din textolit, nailon, kapron.

Metoda ISO, adoptată integral de STAS 7 160-74 și 7 161-74 permite să se calculeze durabilitatea, exprimată în milioane de rotații, folosindu-se următoarea relație pentru rulmenții radiali: [14]

Cunoscând că: , se poate determina durabilitatea în ore astfel: ; unde:

n – turația rulmentului []

– numărul orelor de funcționare

Conform fișei de catalog (Anexa 8) a rulmentului:

C = 35.8daN

P = 0.5daN

ții

Conform rezultatelor obținute în urma simulării(figura 4.27 ), cunoscând raza R=350 mm, brațul robotic efectuează un unghi de 60ș în 2.5 secunde.

Lungimea cercului este: l = 2πR = 2.2 m. Distanța parcursa de braț în timp de 2.5 secunde este de 0.366 m de unde rezultă o turație (n) de 0.146 m/s

Este specificat faptul că rezultatul obținut este rezultatul teoretic, considerat plauzibil întrucât timpii de lucru și solicitările asupra rulmenților radiali cu bile utilizați sunt mici, acest lucru crescând rezistența la uzură a acestora.

De asemenea, soluția utilizată este aceea a unui rulment ce este încapsulat într-un suport care prezintă la unul din capete o flanșă cu diametru mai mare, având rolul de a împiedica deplasarea rulmentului într-unul din sensuri.

4.3. Modelarea matematică și simularea sistemului de acționare al brațului robotic

4.3.1. Alegerea motoarelor desemnate acționării cuplelor cinematice

Pentru aceasta, a fost ales motorul TowerPro MG995 cuplului motor foarte ridicat raportat la dimensiunile sale. Acesta este un motor de tip digital servo, ceea ce înseamnă că are integrat în acesta circuitul de control și reductor, nefiind necesară, deci, utilizarea unui driver special.

Figură 4. 16. Motor servo digital TowerPro MG996 R

Datele tehnice ale motorului sunt:

– tensiune nominală U = 6 V;

– rezistența înfășurării R = 3,5 Ω;

– inductivitatea bobinei L = 3 mH;

– constanta electrică ke = 11,2 mV s/rad

– constanta mecanică km = 11,2 mN.m/A

– momentul de inerție al motorului Jmotor = 1,8e-6 kg*m²

– caracteristici reductor:

Tabel 4. 1. Caracteristici reductor

Pentru a realiza simularea funcționării motorului se începe de la schema echivalentă a acestuia:

Figură 4. 17. Schema echivalentă a motorului digital servo MG996R

Figură 4. 18. Schema echivalentă în impedanțe a motorului

Unde Jm1=Jm+J1 (momentul de inerție al motorului plus momentul de inerție al roții 1), J23=J2+J3, J45=J4+J5, J67=J6+J7. Scrierea ecuațiilor unui astfel de circuit poate fi simplificată prin determinarea unui Zj, moment de inerție echivalent al reductorului.

Fie raportul de reducere total:

;

În cazul exemplului motorului MG995, ired = 230.625.

Momentul de inerție echivalent al reductorului este dat de relația:

Prin calcul, valoarea determinată este: = 0,095783518 kg m2

Noul circuit echivalent pentru motorul digital servo este cel din figura de mai jos:

Figură 4. 19. Circuitul echivalent simplificat pentru servo-motor

Sistemul de ecuații matematice ce descriu circuitul din figura de mai sus este:

4.3.2. Simularea funcționării motoarelor

Simulare la mers în gol

Prin implementarea acestui model în MATLAB/Simulink se obține schema de simulare a motorului fără sarcină de mai jos:

Figură 4. 20. Schema de simulare a motorului digital servo la mers in gol

Rezultatele obținute arată o viteză de 22 rotații pe minut, ceea ce corespunde cu 1,4 secunde pentru o cursă de 180 de grade. (1,5 secunde este valoarea de catalog). [5]

Figură 4. 21. Curentul consumat și viteza, in rpm, la arborele motorului la mers în gol

A fost generat un semnal de comanda PWM. Pentru aceasta a fost folosit un bloc Generator de Puls, de amplitudine 12, din care a fost scăzut 6 V. Semnalul obținut fiind de forma:

Figură 4. 22. Generare de semnal PWM

Schema de simulare, în acest caz, va fi:

Funcționare în sarcină

Pentru a simula funcționarea motorului în sarcină, au fost aflate masa sarcinii dar și momentul de inerție al acesteia, având ca punct de referință centrul de greutate al motorului asupra căruia se exercită sarcina. În figura 4.24 se poate observa faptul că brațul va avea o mișcare de rotație în jurul axei Y, precum și poziția centrului de greutate în raport cu sistemul de coordonate extern. Determinarea acestei poziții va fi folosită pentru aflarea momentului de inerție al brațului robotic.

Figură 4. 24. Poziția și momentul de inerție fată de sistemul de coordonate extern ale punctului de referință

Din figura 4.25 a fost extras momentul de inerție al punctului de referință față de sistemul de axe extern. De asemenea, în imagine este prezentată și poziția inițială a brațului pentru care a fost făcută simularea în sarcină.

= 283716.87 g·mm2 = 0.00028371687 kg·m2

Figură 4. 26. Masa sarcinii motorului și momentul de inerție

Din figura 4.26 au fost extrase masa pe care motoarele trebuie sa o ridice, dar și momentul de inerție al acestei mase.

Pentru aflarea momentului de inerție total, , pe care motorul trebuie sa îl învingă, se va aduna la .

Simularea va fi efectuată pentru unul dintre cele două motoare care au sarcina cea mai mare de aceea valorile vor fi înjumătățite.

= = kg·m2 = 0.1410259113

kg·m2;

= = 0.095783518 + kg·m2 = 0.166296468565 kg·m2;

;

Lungimea brațului fiind: .

Aceste date fiind luate în calcul, schema de simulare devenind cea din figura 4.28. În schema de simulare prezentată în figura de mai jos s-a urmărit reglarea automată având ca valoare țintă un anumit unghi dorit.

Figură 4. 28. Schema de simulare a motorului în sarcină

Graficul comportamentului brațului fiind cel din figura 4.29, unde se poate observa atingerea valorii țintă într-un timp tranzitoriu satisfăcător, fără suprareglaj și eroare staționară.

Figură 4. 29. Graficul comportamentului brațului robotic

4.3.3. Testarea motoarelor de acționare ale cuplelor cinematice și dispozitivului de apucare

Odată realizată sursa de tensiune constantă de 6V se pot testa motoarele de acționare ale cuplelor cinematice și dispozitivului de apucare. Acestea sunt motoare de tip servo, schema electronică pentru acționarea acestor motoare fiind prezentată în figura 4.30.

Figură 4. 30. Schema electronică pentru acționarea servomotoarelor

Conform acestei scheme a fost realizat circuitul de testare și au fost testate motoarele (figurile 4.32 și 4.33). Programul de testare în Arduino fiind prezentat în figura 4.31.

Figură 4. 31. Programul de testare al servomotoarelor

Pentru realizarea programului prezentat în figura 5.6 a fost folosită librăria „Servo” oferită gratuit de Arduino.

Figură 4. 32. Testarea motorului SG90

Figură 4. 33 Testarea motoarelor MG996R

În urma testării toate motoarele au funcționat perfect și s-au comportat foarte bine, putând fi utilizate în continuare pentru realizarea proiectului.

4.4. Modelul geometric direct

Pentru realizarea modelului geometric direct s-a pornit de la schema cinematică a brațului robotic prezentată în figura 4.34.

Figură 4. 34. Schema cinematică a brațului robotic

Pe baza acestei scheme au fost scrise matricele de transformare corespunzătoare fiecărei cuple cinematice, astfel:

;

;

;

;

;

Prin înmulțirea acestor matrice se obține matricea coordonatelor punctului :

Se obține o matrice 4×1 în care valorile de pe fiecare coloană reprezintă coordonatele punctului , și anume:

Similar se află și coordonatele punctelor . Pentru aceasta, au fost folosite următoarele ecuații caracteristice fiecărui punct:

Pentru aflarea coordonatelor în spațiu a punctelor este necesară cunoașterea lungimilor , cât și a unghiurilor . Acestea au fost introduse în model după cum urmează:

;

;

;

;

;

;

;

;

În urma rulării modelului geometric în programul MATLAB, pentru valorile introduse, au fost obținute următoarele coordonate pentru punctul și punctele corespunzătoare cuplelor cinematice:

Poziția și orientarea brațului într-un spațiu determinat de un cub cu latura de 350 mm, pentru valorile utilizate, fiind cea din figura 4.35.

Figură 4. 35. Poziția și orientarea brațului robotic în spațiu

Modelul geometric realizat reprezintă modelul geometric direct deoarece presupune introducerea unghiurilor , celelalte valori fiind constante. Pe baza acestui model a fost realizată o funcție în Matlab care are ca date de intrare valorile unghiurilor și ca date de ieșire vectorii X, Y, Z. Acești vectori au ca elemente componente coordonatele pe axele x, y, respectiv z ale punctelor corespunzătoare fiecărei cuple cinematice () și punctului , introduse în ordine de la la baza brațului robotic.

Această funcție este reprezentată în figura 4.36.

Figură 4. 36. Funcția în MatLab pentru calcularea modelului geometric

A fost creată o altă funcție, reprezentată în figura 4.39, prin care este apelată prima funcție și care are ca scop vizualizarea comportamentului brațului robotic în atingerea diverselor puncte cheie în timpul funcționării.

Figură 4. 37. Funcția în MatLab folosită pentru analiza comportamentului

Această funcție folosește un increment și câte o formulă de calcul pentru fiecare unghi realizate la nivelul fiecărei cuple cinematice, astfel este afișată într-un grafic traiectoria brațului robotic de la poziția inițială pana la poziția dorită.

Pentru a studia acest comportament se de comentează linia de cod corespunzătoare fiecărei comenzi, iar pentru afișarea în spațiu, se de comentează liniile aferente graficului pe 3 axe, se comentează cele ale graficului pe 2 axe și se modifică incrementul cu cel indicat pentru fiecare comandă. Realizarea modelului geometric dar și a acestor funcții a permis studierea comportamentului brațului robotic în atingerea punctelor cheie în timpul funcționării, cât și determinarea spațiului de lucru.

Traiectoriile parcurse de brațul robotic cu scopul atingerii punctelor cheie în timpul funcționării sunt prezentate in figurile 4.39, 4.40 , 4.41, 4.42, de asemenea spațiul de lucru este prezentat în figura 4.43.

Figură 4. 38. Poziția de repaus

În figura 4.38 este prezentată poziția de repaus aceasta fiind poziția din care brațul robotic v-a porni întotdeauna pentru a manipula obiectele de lucru.

Figură 4. 39. Traiectorie obișnuită pentru apucarea obiectului de lucru

În figura 4.39 este prezentată traiectoria parcursă de brațul robotic la plecarea din poziția de repaus și până la atingerea punctului în care obiectul de lucru poate fi manipulat.

Figură 4. 40. Traiectorie într-o situație specifică pentru apucarea obiectului de lucru

În figura 4.40 este prezentată traiectoria parcursă de brațul robotic la plecarea din poziția de repaus și până la atingerea punctului în care obiectul de lucru poate fi manipulat, atunci când obiectul se află într-o zonă în care este posibil doar accesul brațului robotic, nu și a întregului sistem.

Figură 4. 41. Traiectoria brațului după ce a fost apucat obiectul de lucru

În figura 4.41 este prezentată traiectoria parcursă de brațul robotic la plecarea din punctul în care obiectul de lucru poate fi manipulat până la atingerea punctului anterior rotirii cu scopul eliberării obiectului de lucru în zona de depozitare.

Figură 4. 42. Rotirea spre zona de depozitare

În figura 4.42 este prezentată traiectorie brațului robotic pe parcursul rotirii acestuia cu 180ș în vederea eliberării obiectului de lucru în zona de depozitare. Această rotire se va face întotdeauna în sens trigonometric, rotirea în sensul acelor de ceasornic fiind imposibilă datorită construcției mecanice. Pe baza acestui lucru a fost determinat și spațiul de lucru al brațului robotic, descris de un sfert de sferă cu raza de 350 milimetri, prezentat în figura 4.43.

4.5. Proiectarea subansamblului șasiu cu roți

Pasul următor, după proiectarea și dimensionarea brațului robotic, îl reprezintă proiectarea șasiului. În acest scop s-a ținut cont de dimensiunile de gabarit ale brațului robotic ce vine atașat șasiului dar și de particularitățile mediului în care sistemul mecatronic urmează să își desfășoare activitatea.

Știind ca brațul robotic are o dimensiune de 137 mm pe axa Y a sistemului și atunci când acesta este poziționat paralele cu solul, împreună cu dispozitivul de prehensiune închis, atinge o lungime de 350, a fost aleasă o formă dreptunghiulară cu dimensiunile de 150 mm x 250 mm.

Soluția constructivă în acest scop a fost aceea de a crea doua plăci de dimensiuni identice (desene de execuție Anexa 5).

Figură 4. 44. Placa de sus a șasiului

În figura 4.44 este prezentată placa de sus a șasiului. Aceasta reprezintă modul de legătură cu brațul robotic și în acest scop au fost prelucrate alezajul și găurile de fixare a motorului predestinat rotirii batiului. De asemenea au fost prelucrate 6 găuri destinate prinderii suporților cu bilă ce au rolul de a prelua greutatea brațului robotic. De asemenea au mai fost prelucrate găurile aferente distanțierelor și alezajele (3 alezaje în față și 3 în spate) pentru prinderea senzorilor și un alezaj pentru a permite trecerea cablurilor de conexiune ale motoarelor.

Asemănător cu aceasta a fost proiectată și placa de jos (figura 4.45), aceasta fiind și modul de legătură cu zona de depozitare. În acest scop a fost, în zona din spate a fost realizată o gaura destinată prinderii remorcii. Găurile aferente fixării celorlalte elemente pe această placă urmând sa fie executate ulterior.

Figură 4. 45. Placa de jos a șasiului

Menținerea paralelismului dar și a unui distanțe constante între plăcile componente ale subansamblului șasiu se realizează prin utilizarea aceluiași tip de distanțiere utilizate și în cazul subansamblului Braț robotic, de această dată acestea având lungimea de 50 de mm. Această dimensiune a fost aleasă pentru a facilita manipularea obiectelor de lucru de către brațul robotic dar și așezarea celorlalte elemente în interiorul șasiului (figura 4.47).

Șasiul va avea două roți motoare acționate diferențial și patru puncte de sprijin. În acest scop a fost necesară proiectarea unor suporți pentru susținerea motoarelor roților motoare dar și pentru susținerea roților de sprijin.

Figură 4. 47. Subansamblu Șasiu

Un pas esențial înaintea proiectării suporților menționați anterior este acel de alegere a roților și implicit a diametrului acestora. În acest scop a fost ales un tip de roți standard pentru servomotoare de curent continuu ce se găsesc în comerț la un preț de achiziție bun. Aceste roți au un diametru de 66 de mm ceea ce le face foarte bune pentru acest sistem, astfel obținându-se și o viteză de deplasare mai mare a întregului sistem. De asemenea, acestea prezintă în zona excentrică un înveliș din cauciuc, fapt ce mărește aderența cu suprafețele lucioase ce se pot întâlni în mediul de lucru al sistemului (spre exemplu: gresie, parchet, linoleum, etc.).

Aceasta prezintă în centru o gaură ø 3 străpunsă ceea ce permite utilizarea acesteia și în alte moduri, cum ar fi în cazul de față, ca roți de sprijin.

Știind raza roților, au putut fi proiectați suporții pentru motoare și suportul arborilor roților de sprijin din față.

Suporții motoarelor (figura 4.49) au fost proiectați pentru a oferi întregului sistem o gardă la sol mică, de 10 mm, în acest fel centrul de greutate al acestuia a fost adus mai aproape de sol, mărind astfel stabilitatea robotului. De asemenea, această gardă la sol, împreună cu inexistența cablurilor de conexiune sau a componentelor electronice mai jos de linia șasiului, protejează robotul la contactul cu zone umede. În plus, există posibilitatea implementării unei îmbunătățiri printr-un sistem de aspirare.

Un alt element component al subsistemului Șasiu este suportul pentru arborii roților din față prezentat în figura 4.50. Acesta împreună cu suporții pentru motoare au fost realizați prin procedeul de imprimare 3D.

Figură 4. 50. Asamblarea roților de sprijin

4.5.1. Modelarea matematică și simularea sistemului de acționare al șasiului

Pentru a putea înțelege și simula procesul acesta a fost redus la componente elementare având reprezentarea schematică ca cea din figura 4.51. Astfel a fost reprezentată o roată coincidentă arborelui reductorului unui motor, aceasta având sarcina de a deplasa o masa. Simularea a fost efectuată pentru unul din cele două motoare, sarcina fiind înjumătățită.

Figură 4. 51. Schema simplificată

Pornind de la această schemă, a fost realizată schema în impedanțe prezentată în figura 4.52 pe baza căreia au fost scrise ecuațiile de simulare.

Figură 4. 52. Schema în impedanțe

Ecuații:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

Pe baza acestor ecuații a fost realizată schema de simulare în MatLab Simulink în care s-a dorit reglajul după viteză a motorului. Această schema este prezentată în figura 4.53.

Figură 4. 53. Schema de simulare pentru motoarele șasiului

Pentru a completa schema de simulare avem nevoie e câteva valori ca: masa întregului sistem (m), momentul de inerție al roții( ), raza roții (R), coeficientul de frecare de alunecare (µ).

= 0.095783518

R = 33 mm = 0.033 m

µ = 0.2

În urma modelării 3D a întregului ansamblu, a rezultat o masă totală de 1,330 kg. La această masă se mai poate adăuga masa obiectelor de lucru colectate care este variabilă și de aceea masa totală va fi aproximată la 2 kg; masa utilizată în calcul fiind înjumătățită.

m = 1 kg

Figură 4. 56. Viteza obținută

Graficul viteze obținute este prezentat în figura 4.56, în care se poate observa atingerea valorii de regim într-un timp de aproximativ 14 secunde.

Figură 4. 57. Graficul curentului consumat

În figura 4.57 este reprezentat graficul curentului consumat în care se poate observa un curent instantaneu la pornire de aproximativ 1.6 A, după care acesta scade.

Un alt element ce a fost calculat este accelerația instantanee care trebuie să verifice relația: , în care au fost notate:

a – accelerația instantanee;

µ – coeficientul de frecare de alunecare dintre roată și podea; µ = 0.15

g – accelerația gravitațională; g = 9.81 m/s2

Prin relația de mai sus este verificată accelerația la pornire astfel încât robotul să nu învingă forța de frecare, cu alte cuvinte să nu patineze. Această accelerație este comparată cu produsul în figura 4.58.

Figură 4. 58. Accelerația instantanee

4.5.2. Transformarea servomotoarelor cu cursă limitată în servomotoare cu rotație continuă

Motoarele desemnate acționării subansamblului șasiu sunt servomotoarele MG996R, acestea fiind motoare cu cursă limitată și de aceea este necesară transformarea lor în motoare cu rotație continuă. Motivul utilizării acestui tip de motoare și apoi transformarea lor este pur economic, acestea având un preț de achiziție considerabil mai mic.

Primul pas în realizarea acestui lucru este eliminarea opritorului mecanic existent. Acesta este pus pe ultima roată a reductorului și este reprezentat printr-un bolț, ușor de scos cu un patent (figura 4.59).

Figură 4. 59. Reductorul servomotorului MG996R

După ce acesta a fost scos (figura 4.60), urmează reglarea potențiometrului astfel încât pentru o valoare de 90 comandată servomotorului acesta să stea pe loc și se blochează potențiometrul pe această poziție (figura 4.61). Această valoare corespunde jumătății cursei inițiale a motorului (0°-180°). Următorul pas este împiedicarea angrenării dintre arborele de ieșire al reductorului și potențiometru prin tăierea pârghiei de acționare a potențiometrului. În acest moment motorul se comportă ca și cum ar primi un semnal de comandă PWM.

Figură 4. 60. Eliminarea opritorului mecanic

Figură 4. 61. Reglarea și blocarea potențiometrului

Principiul funcționării este acela că atunci când motorului îi este comandată deplasarea spre unul din capetele cursei, acesta va efectua acest lucru cu viteză maximă însă, datorită eliminării piedicilor mecanice și electrice, nu va ajunge acolo și va continua să se rotească cu viteză maximă în acel sens. Viteza de deplasare este proporțională cu valoarea comandată motorului. Aceste valori sunt cuprinse între 0 și 180, cu precizarea că la 90 motorul stă pe loc, iar la 0 și 180 acesta se rotește cu viteză maximă într-un sens respectiv celălalt.

4.6. Elemente senzoriale

Întrucât sistemul se deplasează și acționează în mod autonom în spațiul de lucru este necesară implementarea unui sistem de senzori care să facă posibilă autonomia robotului. De asemenea, robotul poate acționa și în prezența omului de aceea a fost implementată și o serie de senzori care au rolul de a proteja omul de robot dar și invers.

Senzorii folosiți în acest proiect sunt împărțiți în doua categorii:

senzori destinați manipulării obiectelor de lucru (detecție, recunoaștere);

senzori destinați evitării obstacolelor;

4.6.1. Senzori destinați manipulării obiectelor de lucru (detecție, recunoaștere)

În acest scop au fost implementate două tipuri de senzori: senzor infraroșu reflectiv (figura 4.62 ) și senzor de culoare TCS230 (figura 4.67).

Modul senzor infraroșu reflectiv

Este folosit pentru a detecta prezența obstacolelor în fața robotului la o anumită distanță prestabilită. În acest sens robotul va ști unde se află obiectul în fața lui și la ce distanță, putând astfel s acționeze conform datelor primite și interpretate.

Caracteristici tehnice:

Tensiune de alimentare: 3V – 5V;

Distanță sesizare obstacol: 2cm – 30cm;

Unghi observare obstacol: 35o;

Output digital;

Comparator LM393;

Tensiune de referință reglabilă.

Modul de funcționare:

Senzorul de obstacole se bazează pe reflexia radiației IR de către obstacol. Radiația IR este emisă de către un LED și este recepționată de către un fototranzistor. Ieșirea senzorului este digitală. Distanța de detecție poate fi reglată dintr-un potențiometru. Modulul conține două led-uri indicatoare, unul pentru alimentare și celălalt pentru detectarea obstacolului.

Figură 4. 63. Modul de funcționare al senzorului infraroșu reflectiv

Modulul se alimentează la o tensiune de 3-5 V și are un unghi de observare a obstacolelor de 35ș. Cu ajutorul potențiometrului putem modifica nivelul de referință, astfel încât să ajustăm sensibilitatea, deci, distanța la care modulul detectează obstacole. Comparatorul furnizează la ieșire 1 logic atunci când nu detectează obstacole și 0 logic atunci când întâlnește un obstacol. [15]

Figură 4. 64. Componentele modului senzor infraroșu reflectiv

Testarea senzorilor infraroșii

Acești senzori sunt folosiți pentru verificarea existenței obiectului de lucru la o distanță prestabilită, optimă pentru manipularea acestui de către brațul robotic. Schema electronică de utilizare a senzorilor folosiți este prezentată în figura 4.65. Distanța se reglează cu ajutorul unui potențiometru, prezența obiectului la distanța reglată este semnalată prin aprinderea unui led.

Figură 4. 65. Schema electronică de utilizare a senzorilor infraroșii

Figură 4. 66. Testarea senzorilor infraroșii

Testarea a fost cu succes pentru toți senzorii, aceștia putând fi folosiți în continuare pentru detectarea obiectelor de lucru.

Senzor de culoare TCS230

Acest tip de senzor este folosit pentru a distinge obiectele de lucru dorite de cele nedorite, acest lucru făcându-se prin recunoașterea și interpretarea culorii acestora.

Caracteristici tehnicofuncționale:

Rezoluție înaltă de conversie intensitate lumină-frecvență;

Culoare programabilă și frecvență de ieșire la scară largă;

Posibilitatea de comunicare directă cu un microcontroler;

Tensiune de alimentare 2.7V-5.5V;

Consum mic de energie;

Eroare de nelinearitate uzuală de 0.2% la 50 kHz;

Coeficient de stabilitate la temperatura de 200 ppm/șC;

Descriere și mod de funcționare:

Convertorul color lumină-frecvență programabil TCS230 combină fotodiodele de siliciu configurabile și un convertor de curent-frecvență pe un singur circuit integrat CMOS monolitic. Ieșirea este un tren de impulsuri dreptunghiulare (50% ciclu de funcționare) cu o frecvență direct proporțională cu intensitatea luminii (iradiere). Frecvența pe scară largă poate fi scalată printr-una din cele trei valori prestabilite prin intermediul a doi pini de intrare de control. Intrări digitale și ieșiri digitale permite interfața directă cu un microcontroler sau cu alte circuite logice. Pinul „output enable” (OE) plasează ieșirea în starea de înaltă impedanță pentru partajarea în mai multe unități a unei linii de intrare a microcontrolerului.

Convertorul de lumină-frecvență citește o serie de fotodiode de 8 x 8. Șaisprezece fotodiode au filtre albastre, șaisprezece fotodiodele au filtre verzi, șaisprezece fotodiode au filtre roșii și șaisprezece fotodiode sunt clare fără filtre. Cele patru tipuri (culori) ale fotodiodelor sunt interdigitate pentru a minimiza efectul neuniformității iradiației incidente. Toate cele 16 fotodiode de aceeași culoare sunt conectate în paralel și ce tip de fotodiodă pe care dispozitivul le folosește în timpul funcționării este selectabil cu pin. Fotodiodele au o dimensiune de 120μm x 120μm. [16]

Testarea senzorului de culoare TCS230

Acest senzor este folosit pentru recunoașterea obiectelor de lucru și diferențierea dintre obiectele de lucru dorite și cele nedorite. Schema electronică de utilizare a senzorului este prezentată în figura 4.70. Conform acesteia și a programului prezentat în figura 4.72 a fost realizată testarea senzorului, ce implică recunoașterea obiectelor de lucru.

Figură 4. 70. Schema electronică de utilizare a senzorului TCS230

Figură 4. 71.Testarea senzorului TCS230

Figură 4. 72. Programul de testare pentru senzorul de culoare

Senzorul returnează ca date de ieșire frecvențele aferente fiecărei culori. Conform modului de utilizare a senzorului, valoarea aferentă fiecărei culori este cea mai mică din cele 3 afișate. În figura 4.73 este prezentată detectarea culorii roșii, observându-se valoarea mică în comparație cu celelalte.

Figură 4. 73. Date experimentale senzor TCS230

Poziționarea senzorilor destinați manipulării obiectelor de lucru în sistem

Această categorie de senzori este componentă a subansamblului șasiu, ceea ce înseamnă ca senzorii sunt poziționați pe plăcile acestuia.

Figură 4. 74. Poziționarea senzorilor infraroșii

În figura 4.74 este prezentată poziționarea senzorilor infraroșii desemnați detectării obiectelor de lucru. Sunt folosiți trei astfel de senzori pentru o poziționare mai precisă față de obiectul de lucru. În funcție de datele primite de la aceștia robotul se va poziționa astfel încât obiectul de lucru să se afle la o distanță predefinită în fața robotului și situat pe axa centrală a lui. Se poate mari precizia de poziționare utilizând un număr mai mare de senzori.

Senzorul de culoare TCS230 va fi poziționat pe placa de sus a subansamblului șasiu în zona încercuită cu roșu din figura 4.75. A fost aleasă această poziționare întrucât, după ce brațul robotic a preluat obiectul de lucru de la sol, acesta va fi adus deasupra senzorului pentru a-i fi recunoscută culoarea și astfel se face selecția obiectelor manipulate.

4.6.2. Senzori destinați evitării obstacolelor

Pentru evitarea obstacolelor vor fi utilizate două tipuri de senzori: senzori de distanță cu ultrasunete HC-SR04 și senzor infraroșu reflectiv.

Senzori de distanță cu ultrasunete HC-SR04

Acest tip de senzor este folosit pentru a afla distanța la care se află robotul față de obstacole, fie ele staționare sau nestaționare. Astfel se asigură spațiul necesar desfășurării activității al robotului dar și evitarea obstacolelor, parcurgerea spațiului de lucru, sau protejarea oamenilor sau animalelor ce se pot afla în jurul sistemului în timpul funcționării.

Caracteristici tehnice:

tensiune de alimentare 5V DC;

curent pasiv < 2mA;

unghiul efectiv < 15ș;

distanța de acoperire 2-400 cm;

rezoluție 0.3 cm

Mod de funcționare:

Un scurt impuls ultrasonic este transmis la momentul 0, reflectat de un obiect. Senzorul primește acest semnal și îl transformă într-un semnal electric. Următorul impuls poate fi transmis când ecoul este mai slab. Această perioadă de timp se numește perioadă a ciclului. Perioada de recomandare a ciclului nu trebuie să fie mai mică de 50 ms. Dacă un impuls de trigger de lățime de 10μs este trimis la pinul de semnal, modulul Ultrasonic va emite un semnal ultrasonic de 40 kHz și va detecta ecoul înapoi. Distanța măsurată este proporțională cu lățimea impulsului de ecou și poate fi calculată prin formula (1). Dacă nu este detectat niciun obstacol, pinul de ieșire va da un semnal de nivel de 38 ms. [17]

Figură 4. 77. Intervalele unghiulare de eficiență ale senzorului ultrasonic HC-SR04 [17]

Conform figurii 4.77 acest tip de senzor este eficient în măsurarea distanței față de obiect atunci când acesta se află într-un interval descris de un con cu unghiul de 45ș în fața senzorului. De aceea este necesară utilizarea unui număr de 5 astfel de senzori, toți fiind instalați pe placa de sus a șasiului (figura 4.78 )

Figură 4. 78. Poziționare senzor ultrasunet HC-SR04

Cei doi senzori din lateral împreună cu cel din față din mijloc vor fi folosiți pentru detectarea obstacolelor și menținerea unei distanțe optime de funcționare fată de acestea, dar și pentru parcurgerea spațiului de lucru.

Este necesar ca acești senzori să fie montați în suporți speciali pentru a se putea păstra direcția conului de propagare a undelor ultrasunet. Acești suporți sunt montați prin șuruburi de placa de sus a șasiului și sunt orientați în mod obligatoriu în jos pentru a nu interveni în zona de acțiune a brațului robotic.

Suporții sunt realizați prin procedeul de depunere strat cu strat (imprimare 3D), dar pot fi si și cumpărați din comerț.

Testarea senzorilor cu ultrasunete HC-SR04

Aceștia sunt folosiți pentru detecția obstacolelor aflate la o distanță de 200mm, distanță necesară pentru ca robotul să poată acționa. Schema de conectare a acestor senzori este prezentată în figura 4.80.

Figură 4. 80. Schema de conectare a senzorilor HC-SR04

Conform schemei prezentate în figura 4.80 a fost realizate conexiunile și au fost testați senzorii utilizând programul din figura 4.82. Scopul testului a fost funcționalitatea și distanța de acoperire a senzorului.

Figură 4. 81. Testarea senzorului HC-SR04

Figură 4. 82.Programul de test ale senzorilor cu ultrasunete

Testările au avut succes, senzorii putând acoperi distanța necesară de 200mm (figura 4.82).

Figură 4. 83. Verificarea distanței de acoperire necesară

Senzor infraroșu reflectiv

Este același tip de senzor utilizat pentru detectarea obiectelor de lucru, însă de această dată acesta este montat pe brațul robotic (figura 4.84) și are menirea de a proteja brațul robotic de trecerea robotul sub obiecte de joasă înălțime care pot deteriora brațul robotic.

Acest senzor are rolul de a detecta obstacolele care se află la nivelul brațului robotic atunci când robotul se află în ciclul de căutare al obiectelor ce trebuie manipulate. Acesta împreună cu senzorii cu ultrasunete HC-SR04 aflați în partea din față a robotului și orientați în lateral (vezi figura 4.78) vor indica robotului faptul ca obiectul de lucru, dacă este detectat, se află sub mobilier și astfel acesta va putea acționa ca atare, schimbându-și modul de abordare al situației: brațul robotic urmărește o traiectorie diferită pentru a ajunge la obiectul de lucru (vezi subcapitolul 4.4. Modelul geometric), de altfel și comportamentul subansamblului Șasiu fiind diferită. Cu alte cuvinte, robotul, în urma datelor primite de la cei trei senzori, va aborda într-un mod sau altul preluarea obiectelor.

Figură 4. 85. Obiect aflat sub mobilier de joasă înălțime

4.7. Alimentare

Pentru acest tip de sistem, autonomia energetică este un factor esențial de aceea robotul folosește ca sursă de alimentare un acumulator de tip Litiu-Polimer 2S cu o tensiune nominală de 7.4 V și o capacitate de 2000mAh.

În cadrul acestui proiect au fost utilizate două celule Litiu-Polimer cu o tensiune nominală de 3.7 V și o capacitate de 2000mAh (figura 4.86)care au fost legate în serie, astfel se obține acumulatorul Li-Po 2S (figura 4.87) care are o tensiune nominală la bornele acestuia de 7.4V. Încărcarea acumulatorului se va face de către utilizator, existând și posibilitatea implementării unei stații de autoîncărcare.

Figură 4. 87. Acumulator Li-Po 2S 2000mAh 7.4V

Tensiunea nominală obținută la bornele acumulatorului Li-Po 2S, așa cum este menționat anterior, este de 7.4V, o tensiune care poate afectă unele componente electronice ale sistemului, întrucât aceasta depășește tensiunea maximă de alimentare a acestora. În acest sens este necesară și utilizarea unei surse coborâtoare de tensiune, care să ne asigure la ieșirea acesteia tensiune necesară de 6V. Pentru a realiza acest lucru a fost utilizată o sursă coborâtoare de tensiune din comerț ce folosește circuitul integrat MP1584EN (figura4.88).

Această sursă folosește un potențiometru pentru a regla tensiunea de la intrare în funcție de tensiunea dorită la ieșire. Printre avantajele utilizării acestei soluții se enumeră: dimensiuni foarte mici de gabarit ( 22.2mm x 17.4mm x 4mm), ușor de utilizat și preț de achiziție redus.

Caracteristici:

Tensiune de intrare: 4.5V – 28V;

Tensiune de ieșire: 0.8V – 20V;

Curent maxim ieșire: 3A;

Eficiență: maxim 92%;

Frecvență de lucru: 1MHz;

Riplu: 30mV.

MP1584 este un regulator de comutare în trepte de înaltă frecvență cu un MOSFET de putere de înaltă tensiune integrată internă. Oferă ieșire 3A cu comanda curentă a modului de reacție pentru o buclă rapidă și o compensare ușoară.

Intervalul larg de intrare de la 4.5V la 28V permite o varietate de aplicații pas cu pas, inclusiv cele dintr-un mediu de intrare pentru automobile. Un cip operațional de 100μA permite utilizarea în aplicații cu baterie.

Prin comutarea la 1,5MHz, MP1584 este capabil să prevină probleme de zgomot de interferență electromagnetică, cum ar fi cele găsite în aplicațiile AM ​​radio și ADSL. MP1584 este disponibil într-un pachet SOIC8E îmbunătățit termic.

Tensiunea de ieșire este setată folosind un divizor de tensiune rezistiv de la tensiunea de ieșire la pinul FB. Divizorul de tensiune împarte tensiunea de ieșire până la tensiunea de reacție cu raportul: [18]

Un exemplu de utilizare al regulatorului de tensiune MP1584EN este prezentat în figura 4.74, în care se poate observa obținerea unei tensiuni la ieșire de 5V, pentru o tensiune de intrare cuprinsă între 8V-28V. Conform fișei de catalog, prin varierea rezistenței R3 (figura4.89) se poate obține tensiunea dorită la ieșire, celelalte componente dimensionându-se în funcție de aceasta conform pașilor:

Se calculează valoarea rezistenței:

Se alege valoarea condensatorului :

Se verifică relația: . Dacă aceasta este adevărată se alege un al doilea condensator:

;

;

;

;

;

Figură 4. 90. Mod de utilizarea pentru MP1584EN

4.7.1. Testarea și reglarea sursei coborâtoare de tensiune

Un prim pas în testarea sursei coborâtoare de tensiune a fost lipirea cablurilor și conectorului T la aceasta (figura 4.91). Acest conector T de tip tată, va realiza legătura cu sursă de tensiune care are același tip de conector dar de această dată de tip mamă.

Urmează să fie măsurată tensiunea de la bornele sursei de alimentare pentru a cunoaște tensiunea de intrare. Acest lucru se face conform figurii 4.92. Apoi se conectează sursa coborâtoare de tensiune și se măsoare tensiunea de la ieșirea acesteia pentru a cunoaște tensiunea de ieșire(figura 4.93). Reglarea acestei tensiuni la tensiunea dorită de 6V se poate face prin potențiometrul existent pe sursa coborâtoare de tensiune. Au fost luate în calcul și pierderile de tensiune pe circuit, astfel tensiunea de ieșire reglată este 6.16V (figura 4.94).

Figură 4. 92.Măsurarea tensiunii sursei de alimentare

Figură 4. 93.Măsurarea tensiunii de la bornele sursei coborâtoare de tensiune

Figură 4. 94. Reglarea tensiunii de alimentare pentru componentele electronice

4.8. Verificarea structurii mecanice în urma asamblării șasiu-braț(variația centrului de greutate în timpul utilizării)

Sistemul prezentat în lucrare are o structură asemănătoare cu cea a unei macarale, ceea ce înseamnă că o condiție esențială de funcționare este aceea ca, în timpul manipulării obiectelor de lucru, centrul de greutate să rămână întotdeauna între punctele de sprijin ale sistemului.

Pentru analiza acestui lucru a fost utilizat software-ul SolidWorks după ce a fost realizat integral modelul 3D.

Figură 4. 95. Poziția centrelor de greutate

Pe figura 4.95 au fost reprezentată poziția centrelor de greutate în diverse puncte de lucru, observându-se faptul ca în permanență este respectată condiția menționată anterior și anume aceea că centrul de greutate trebuie să rămână în permanență între punctele de sprijin. Poziția centrului de greutate pentru fiecare stare de funcționare este prezentată explicit în figura 4.96.

Conform acestui studiu structura mecanică este proiectată corespunzător respectării condițiilor de funcționare aferente acestui tip de robot, acesta putând fi operațional.

Testare și experimentare a sistemului robotic

În capitolul de față se propune elaborarea strategiei de funcționare a robotului mobil, programul de comandă aferent acesteia, precum și testarea sistemului.

5.1. Strategii de deplasare

Modul în care robotul parcurge spațiul de lucru are reflexii importante în eficiența întregului sistem, prin acoperirea unui procentaj cât mai mare din zona de lucru dar și prin timpul de realizare a sarcinilor.

În acest sens au fost studiate mai multe strategii de deplasare în zona de lucru, diferențiate prin forma traseului ce trebuie parcurs, și anume: strategia spirală (figura 4.76.a), strategia dreptunghiurilor (figura 4.76.b) și strategia arcelor de cerc (figura 4.76.c). Aceste strategii au fost studiate pentru funcționarea într-un perimetru având forma unu dreptunghi.

Figură 5. 1. Strategii de deplasare

Strategia spirală

Aceasta presupune ca punctul de pornire al robotului sa fie în centrul zone de acționare, robotul executând o mișcare de tip spirală pana la întâlnirea unui obstacol, mișcarea fiind continuată după ocolirea obstacolului. Această strategie este sensibilă la punctul de pornire și este mai greu de implementate într-un spațiu în care există obstacole staționare.

Strategia dreptunghiurilor

Strategia dreptunghiurilor presupune o parcurgere liniară a spațiului de lucru, fiind puțin sensibilă la obstacole staționare și putând realiza un procentaj mai mare de acoperire al spațiului de lucru, fiind mai eficientă decât strategia spirală.

Un dezavantaj îl constituie faptul că, prin această strategie, sunt percepute numai obiectele care se află în fața robotului, mai exact în dreptul senzorilor desemnați pentru detectarea obiectelor.

Strategia arcelor de cerc

Pentru a rezolva dezavantajul prezentat la Strategia dreptunghiurilor, a fost creată strategia arcelor de cerc, menită pentru a-i conferi robotului o mișcare de baleiere cu un unghi de 45ș în ambele direcții. Astfel se asigură o zonă mai largă de căutare a obiectelor de lucru în fața robotului.

Această strategie va fi combinată cu modul de parcurgere al zonei de lucru prezentare în Strategia dreptunghiurilor, fiind strategia de deplasare utilizată în cazul sistemului prezentat. Prin acest mod de deplasare se asigură o acoperire bună a perimetrului de lucru, o sensibilitate scăzută la existența obstacolelor și la variații ale formei incintei, precum și sensibilitate foarte mică la punctul de început.

5.2. Programare sistemului conform strategiei menționate anterior

Pentru comandarea sistemului este folosit un microcontroler Arduino Mega (figura 4.77) ce folosește microprocesorul ATmega2560. Acest microcontroler oferă posibilitatea utilizării a 100 de pini dintre care 86 sunt pini de Intrare/Ieșire, oferind o memorie de tip Flash de 256kB, SRAM 8kB și EEPROM de 4kB. Ca urmare a acestui lucru, microcontrolerul este ideal pentru utilizarea în situații în care sunt utilizați un număr mare de senzori, implicit un program ce ocupă mai multă memorie, cunoscut fiind faptul ca optimizarea programelor în vederea economiei de resurse este foarte importantă. Schema electronică a microcontrolerului este prezentată în figura 4.78.

Figură 5. 2. Microcontroler Arduino Mega2560

Figură 5. 3. Schema electronica Arduino Mega2560

Arduino oferă și un software în care se pot realiza programele, precum și o serie de biblioteci care sunt menite pentru a veni în ajutorul utilizatorului. Programul, cât și bibliotecile sunt gratuite fapt ce constituie un mare avantaj. Un exemplu de program realizat în Arduino este cel din figura 4.79.

Figură 5. 4. Exemplu de program în Arduino

Înaintea realizării programului propriu-zis a fost creată o diagramă logică a acestuia, având rolul de a face mult mai bine înțeles programul dar și urmărirea înlănțuirii logice de execuție a comenzilor. Această diagramă logică este prezentată în figura 4.80.

Figură 5. 5. Diagrama logică a programului

În continuare vor fi explicate toate blocurile apartenente acestei scheme.

Start, pornirea sistemului se va face de către utilizator prin acționarea unui întrerupător

Inițializarea Motoare Braț Robotic, este cunoscut faptul că atunci când motorul nu este alimentat arborele acestuia se poate roti liber în jurul axei proprii, acest lucru cauzând brațului robotic să se miște liber pierzându-și astfel poziția de referință. În cadrul acestui bloc, o serie de comenzi vor așeza brațul robotic în poziția de căutare.

Citire Senzor Ultrasunet, în cadrul acestei etape sunt citite valorile senzorilor cu ultrasunete, astfel se determină poziția robotului în raport cu mediul înconjurător

În funcție de aceste date, va fi determinat dacă robotul are spațiul de lucru necesar executării sarcinilor. Daca nu, se trece în subprogramul Deplasare în Poziție de Căutare prin care robotul se poziționează astfel încât căutarea și manipularea obiectelor de lucru să fie posibilă. În caz contrar se comandă oprirea sistemului.

Atunci când robotul se află într-o poziție optimă acesta întră în setul de instrucțiuni de căutare al obiectelor de lucru. Atunci când este detectată prezența obiectului de lucru, robotul intră în subprogramul Manipularea Obiect de Lucru în care o serie de instrucțiuni sunt trimise către motoarele brațului robotic astfel încât acesta să îndeplinească o anumită în funcție de poziția obiectului de lucru față de braț. Aceste instrucțiuni au fost analizate în prealabil în subcapitolul 4.4.Modelul geometric. După ce a fost manipulat obiectul de lucru se repetă ciclul.

Strategia de deplasare intervine în program și pentru oprirea sistemului, mișcarea făcându-se prin deplasări într-o direcție pentru o perioadă de timp și în cealaltă pentru aceeași perioadă de timp. Efectuarea cestui ciclu durează o perioadă bine-determinată de timp și la terminarea acestui ciclu este incrementat un contor. Acest contor este folosit pentru oprirea robotului daca a trecut o perioadă de timp prestabilită în care nu au fost detectate obiecte de lucru, realizându-se astfel o economie energetică considerabilă.

Subprogramul Deplasare În Poziția de Căutare este prezentat în figura 4.81. În cadrul acestui subprogram se verifică libertatea de acționare a sistemului, în cazul în care aceasta nu exista sistemul se oprește. Robotul acționează în funcție de distanța față de obstacolele aflate în stânga și în dreapta acestuia, îndepărtându-se de acestea atunci când este posibil acest lucru.

Subprogramul Manipulare Obiect de Lucru este prezentat în figura 4.82. În cadrul acestui subprogram este aplicat studiul modelului geometric realizat în subcapitolul 4.4 și constă în setul de instrucțiuni pe care trebuie sa le execute brațul robotic pentru manipularea cu succes a obiectelor de lucru. Aici se face selecția obiectelor de lucru căutate de cele necăutate și depozitarea în compartimente separate ale zonei de depozitare.

Figură 5. 7. Subprogramul Manipulare Obiect de Lucru

În figura 5.11. este prezentat subprogramul Manipularea Obiect de Lucru realizat în mediul de programare Arduino. Acesta reprezintă manipularea obiectelor de lucru după ce acestea au fost detectate și separarea acestora după culori, culoarea albastră fiind cea preferențiată în liniile de program prezentate. Este de menționat faptul ca programul prezentat este doar unul demonstrativ al principiului de selecție al obiectelor de lucru. Pentru selecția celorlalte obiecte de lucru este necesară analiza datelor primite referitoare la frecvențele culorilor componente ale obiectelor.

Figură 5. 8. Date primite de la senzor referitoare la culorile obiectelor

În figura 5.8. sunt prezentate datele primite de la senzorul de culoare TCS230 referitoare la culorile obiectelor de lucru. Modul de interpretare al acestor date fiind următorul: culoarea predominantă va avea o frecvență mai mică decât celelalte două; dacă culoarea obiectului nu aparține gamei RGB(roșu, verde, albastru), datele primite de la senzor vor fi constituite din combinația RGB a culorii respective conform figurii 5.9.

Au fost analizate datele primite de la obiectele de lucru prezentate in figura 5.10, astfel: pentru culoarea albastră, se poate observa valoarea mai mică în comparație cu celelalte a frecvenței ce corespunde culorii albastre; același lucru se poate observa și pentru culoarea roșie. Culorile portocaliu și galben, fiind compuse sunt reprezentate prin frecvențele corespunzătoare culorilor primare din care se compun: galben este compus din roșu și verde, portocaliu fiind compus roșu și galben, rezultă într-o predominanță a culorii roșii și de aceea se poate observa o cantitate mai mică de verde decât la culoarea galbenă. De asemenea, se poate observa că pentru culorile în care nu se regăsește culoarea albastră, valoarea frecvenței acesteia rămâne neschimbată. Cantitatea unei culori este interpretată printr-o valoarea mică a frecvenței acesteia.

Figură 5. 10. Obiecte de lucru folosite pentru testare

Figură 5. 11. Subprogramul Manipulare Obiecte de Lucru

Eficiența economică a sistemului automat pentru adunarea obiectelor dintr-o incintă

În acest capitol a fost realizat un studiu tehnico-economic aferent fabricării sistemului automat pentru adunarea obiectelor dintr-o incintă în care este evidențiat profitul obținut în urma realizării produsului la scară mică, prețul de achiziție al produsului final, dar și cheltuielile aferente producerii robotului.

Profitul Πp se calculează cu formula 6.1 pentru care trebuie determinate costurile de producție totale CT, prețul de vânzare Pv și cantitate de produse vândute Q.

Πp = Pv Q – CT Q (6.1.)

Calculul costurilor de producție totale se realizează cu formula 6.2 în care:

Cmat – cheltuieli cu materialele

Cru – cheltuieli cu resursele umane

Cam – amortizarea echipamentelor

CT = Cmat + Cru + Cam (6.2.)

6.1. Calcularea cheltuielilor materiale

Cheltuielile materiale sunt formate din cheltuielile cu produsele finite cumpărate, cheltuielile cu materia primă pentru produsele fabricate și utilități, conform ecuației 6.1.1.

Cmat = Cpf + Cmp + Cu (6.1.1.)

În tabelul 6.1. sunt prezentate prețurile produselor finite necesare sistemului automat pentru adunarea obiectelor dintr-o incintă.

Tabelul 6. 1. Prețurile produselor finite necesare realizării sistemului

Însumând prețul total al fiecărui produs din tabelul 6.1 obținem cheltuielile cu produsele finite, conform ecuației 6.1.2.

Cpf = 675 lei (6.1.2.)

În tabelul 6.2. sunt prezentate prețurile materiilor prime necesare fabricării componentelor specifice sistemului automat pentru adunarea obiectelor dintr-o incintă.

Tabelul 6. 2. Prețurile materiilor prime necesare realizării componentelor

Însumând prețul total al fiecărui produs din tabelul din tabelul 6.2 obținem cheltuielile cu materiile prime, conform ecuației 6.1.3.

Cmp = 105 lei (6.1.3.)

Cheltuielile cu utilitățile se rezumă în mod special la apă și curent electric. Acestea se estimează la o valoare de 250 lei pe lună respectiv 200 lei pe lună și se raportează la numărul de roboți construiți pe lună conform ecuației 6.1.4.

Cu = (6.1.4.)

6.2. Calcularea cheltuielilor cu resursele umane

Operațiile care necesită resurse umane pentru a fi realizate, sunt prezentate în tabelul 6.3 prin durata de timp necesară executării acestora.

Tabelul 6. 3. Timpii de execuție necesari realizării operațiilor

După cum se poate observa, sunt necesari trei tehnicieni, unul partea mecanică, unul pentru electronică și un proiectant 3D. Având fiecare un program de lucru de opt ore pe zi, se realizează un robot complet în 48 de ore.

Cru = (6.2.1.)

Stabilind salariul brut al unui tehnician la o valoare de 2000 lei se calculează în ecuația 6.2.2 sumele datorate bugetului de stat pentru cheltuielile salariale CS egale cu 4000 lei.

Cbs = Cs = 1380 lei (6.2.2.)

6.3. Calcularea amortizării echipamentelor

Echipamentele au costuri ridicate și din acest motiv amortizarea acestora se realizează în timp. Echipamentele necesare realizării operațiilor din tabelul 6.3. sunt prezentate în tabelul 6.4.

Tabelul 6. 4. Prețurile echipamentelor și amortizarea în timp a acestora

Însumând amortizarea lunară a fiecărui echipament din tabelul 6.4 obținem cheltuielile cu amortizarea, conform ecuației 6.3.1.

Cam = (6.3.1.)

6.4. Profitul obținut în urma vânzării produsului

Conform precizărilor anterioare, vor fi angajați trei tehnicieni pentru realizarea produsului, obținându-se un număr de 10 roboți într-o lună.

Astfel cheltuielile cu utilitățile vor fi egale conform ecuației 6.1.4, cu 45 lei.

Se calculează cheltuielile materiale conform ecuației 6.1.1 în ecuația 6.4.1:

Cmat = 675 + 105 + 45 = 825 lei (6.4.1.)

Se calculează cheltuielile cu resursele umane conform ecuației 6.2.1:

Cru = = 738 lei

Se calculează cheltuielile cu amortizarea conform ecuației 6.3.1:

Cam = = 21 lei

Se calculează cheltuielile totale conform ecuației 6.2

CT = 825 + 738 + 21 = 1584 lei

Se stabilește rata profitului dorită ca fiind egală cu 20%. Astfel se calculează prețul de vânzare al unui sistemului automat pentru adunarea obiectelor dintr-o incintă:

PV = CT 1900 lei

Profitul lunar impozabil se calculează aplicând ecuația:

Πp = 1900 10 – 1584 10 = 3160 lei

Impozitul datorat bugetului de stat este calculat în ecuația:

Ip = Πp = 316 lei

Profitul final lunar obținut este calculat în ecuația:

Πf = 3160 – 316 = 2844 lei

Concluzii

În cadrul acestui capitol sunt prezentați parametrii tehnico-funcționali ai sistemului automat pentru adunarea obiectelor dintr-o incintă, precum și condițiile de exploatare.

Conform celor prezentate anterior a fost proiectat și realizat un sistem mecatronic care are rolul de a colecta obiectele într-o incintă. În urma proiectării mecanice a fost realizat un sistem compact, având dimensiuni de gabarit mici, făcându-l fiabil pentru mediul de lucru al acestuia; întregul sistem se încadrează într-un volum de 440x182x185 mm3. De asemenea, masa întregului sistem este mică, acesta fiind ușor de transportat; această masă este de 1.5 kg. Sarcina ce poate fi suportată de întregul sistem putând fi de minim 0.5 kg. Dimensiunile obiectelor de lucru se încadrează într-un volum de 553 mm3, cu posibilitatea măririi acestei valori prin redimensionarea dispozitivului de prehensiune.

Figură 7. 1. Model 3D al sistemului automat pentru colectarea obiectelor dintr-o incintă

Acest sistem este prietenos cu mediul în care acționează dar și cu utilizatorul. Robotul acționează în mod autonom după ce acesta este pornit de către utilizator, oprirea sistemului făcându-se în mod automat. Sistemul dispune de asemenea și de autonomie energetică.

Robotul este proiectat pentru a putea ridica un obiect de lucru ce poate avea masa maximă de 250g, suficientă raportată la masa jucăriilor existente într-o cameră. Sarcina ce poate fi ridicată de brațul robotic este limitată de fapt de menținerea centrului de greutate, astfel această putând fi mărită, la nevoie, prin utilizarea unor contra greutăți în subansamblul șasiu.

În ceea ce privește direcțiile de viitor asupra sistemului automat pentru colectarea obiectelor dintr-o incintă, acestea se concentrează asupra obiectelor de lucru, mai exact la dezvoltarea unui combinații senzoriale care să permită identificarea mai multor tipuri de obiecte de lucru, posibil chiar și implementarea unui algoritm de învățarea bazat pe percepția vizuală în prealabil a obiectelor ce se doresc a fi manipulate. Odată cu implementarea acestui lucru se dorește și utilizarea unui dispozitiv de apucare care să poată prinde obiectele de lucru de diverse forme și mărimi, acesta imitând mâna omului, cât și îmbrăcarea mâinii mecanice într-un material care să permită prin măsurarea presiunii de contact distingerea dintre obiectele de lucru.

O altă direcție de viitor se referă la autonomia energetică, prin implementarea unor algoritmi de deplasare care să permită o acoperire cât mai mare a zonei de lucru dar și o eficiență mai mare, ceea ce conduce la economie energetică. Tot în acest sens se dorește implementarea unei stații de autoîncărcare.

Se dorește de asemenea realizarea unei aplicații pentru telefoane inteligente care să permită comanda robotului de la distanță pentru lucrul automat, dar și recepția datelor de la acesta referitoare la starea robotului, sau chiar și existența unui mod manual.

Figură 7. 2. Sistem automat pentru adunarea obiectelor dintr-o incintă

Ca și îmbunătățire, se dorește implementarea unui sistem de aspirare a particulelor de praf, astfel robotul va putea realiza o mai bună curățire a podelelor, acest lucru coroborat cu posibilitatea colectării obiectelor de dimensiuni mai mare va conduce la un mare avantaj pe care robotul îl va avea față de roboții destinați curățirii podelelor deja existenți pe piață.

O condiție esențială de exploatare rezultată în urma testelor este evitarea utilizării în prezența radiației solare deoarece robotul folosește senzori ce emit și recepționează radiații infraroșii, acestea la rândul lor fiind emise și de către Soare, fapt ce afectează buna funcționare a senzorilor. Se dorește găsirea unei soluții pentru a elimina acest dezavantaj.

O altă condiție de exploatare este aceea de a fi eliminate din zona de lucru obiectele cu dimensiuni de gabarit mai mari decât cele specificate.

Dezvoltarea robotului este înclinată către implicarea cât mai mică a utilizatorului în comanda acestuia, dorindu-se autonomia completă.

Scopul acestui proiect este acela de a ajuta omul, ușurându-i viața și oferindu-i mai mult timp liber pe care acesta să îl poată petrece făcând lucruri care contează cu adevărat pentru sine, într-o eră în care timpul are o însemnătate deosebită și care deși pare a fi îndeajuns, nu este niciodată suficient pentru a face ceea ce contează.

Bibliografie

[1] Constantin Udrea, Mihai Avram, Horia Panaitopol, Nicolae Alexandrescu – ”Bazele constructive ale roboților industriali”, editura UNIVERSITARĂ, București, 2006

[2] „Expansiunea roboților – șanse și provocări pentru viitor”, 18 iulie 2008, Diac. Dr. Adrian Sorin Mihalache, Ziarul Lumina

[3] „Locomotion Principles for Mobile Robotic Systems”, F.L. Chernousko, XIIth International Symposium «Intelligent Systems», INTELS’16, 5-7 October 2016, Moscow, Russia

[4] Roland Siegwart, Illah R. Nourbakhsh-„Introduction to Autonomous Mobile Robots”-The MIT Press (2004)

[5] „Viața noastră cu roboții”, 8 iulie 2011, Mihaela Stănescu, Descoperă

[6] *** http://www.parorobots.com

[7]*** https://www.kompai.com

[8]*** http://www.irobot.com/

[9] US PATENT 4,699,273 10/1987 Suggi-Liverani et al.

[10] US PATENT 5,318,172 6/1994 Kenny et al.

[11] US PATENT 5,509,537 4/1996 Crismon et al.

[12] *** http://www.moley.com/

[13] Curs electronic „ Proiectarea Sistemelor Mecatronice”, conf.dr.ing. Bogdan Grămescu, prof.dr.ing. Constantin Nițu

[14] Traian Demian. (1980). Elemente constructive de mecanică fină, editura didactică și pedagogică București

[15] *** https://www.optimusdigital.ro/ro/senzori-senzori-optici/4514-senzor-infrarosu-de-obstacole.html?search_query=modul+senzor+infrarosu&results=33

[16] Foaie de catalog Senzor TCS230

[17] Foaie de catalog Senzor ultrasunet HC-SR04

[18] Foaie de catalog MP1584EN

[19]https://commons.wikimedia.org/wiki/File:The_three_primary_colors_of_RGB_Color_Model_(Red,_Green,_Blue).png