Si electronica și informatica sunt domeniile cele mai dinamice din robotică. [308901]

Capitolul 1. – Noțiuni introductive despre robotică

Si electronica și informatica sunt domeniile cele mai dinamice din robotică.

Inteligența mașinilor a [anonimizat].

Prin mașină se înțelege un obiect manufacturat care interacționează cu mediul său. Prin această interacțiune fie că ia din mediu energia necesară și o [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat]-[anonimizat], [anonimizat], [anonimizat] a formelor, navigare, învățare ( cu disponibilități de prelucrare avansată a informațiilor) numite mașini inteligente. Mașinile inteligente pot opera individual sau conectate în cadrul unor siteme. [anonimizat], fără un control total al operatorului uman dar cu posibilitatea de a [anonimizat], ce pot fi periculoase sau lipsite de confort.

[anonimizat], [anonimizat]. 1.

Fig. 1.1. [anonimizat] a colecta, stoca, procesa și distribui informații despre starea actuală a masinii și a mediului în care operează.

[anonimizat] a evalua informațiile colectate de sistemul de percepție și de a planifica acțiunile mașinii.

[anonimizat], pe baza instrucțiunilor de la celelalte două subsisteme.

Subsistemul de autoîntreținere are rolul de a manține mașina în condiții bune de funcționare. Acest subsistem asigură o monitorizare intermitentă a comportării mașinii pentru a preveni eventualele defecte sau pentru a sesiza imediat ce ele apar. [anonimizat].

Subsistemul de conversie a energiei asigură cantitatea și forma de energie necesară pentru ca toate celelalte subsisteme să aibă o bună funcționare

Componentele fizice din structura acestor subsisteme sunt: [anonimizat], microprocesoarele, [anonimizat]/ieșire, [anonimizat].

[anonimizat], electroncă, [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat], care accentuează importanța anumitor domenii științifice (mecanică, electronică, automatică, informatică etc); [anonimizat]::

"Pentru că și-a pus robotul în mițcare. Aceasta este o [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat]….[anonimizat] o complexitate considerabilă pentru a îndeplini lucrări grele în situații dificile… " (citat din nuvela "Omul lui minim" de Robert Sheckley).

Noțiunea de ROBOT este de origine slavă, însemnând lucru, corvoadă. El a fost introdus de dramaturgul ceh Karel Capek, în anul 1922, în piesa de teatru "R.U.R – Robotul universal al lui Rossum", pentru a denumi structuri artificiale antropomorfe care răspundeau perfect la comenzile stăpânului lor.

Robotul industrial trebuie înțeles ca un sistem ierarhic care, la nivel inferior, asigură realizarea repetitivă a unei sarcini programate a priori. Acest inferior formează robotul de bază, robotul din prima generație, întâlnit din ce în ce mai des în aplicațiile industriale actuale.

Toată informația, despre mediul de lucru și acțiunile robotului sunt predeterminate, descris a priori de operatorul uman în faza de învățare (programare). În regim automat robotul le execută fără să "simtă" mediul exterior, folosind numai informațiile despre starea sa internă cum ar fi poziția și viteza elementelor sale în mișcare. Un astfel de robot, este format din structura mecanică de manipulare, motoarele (electrice, pneumatice sau hidrauluice) de acționare, traductoare de poziție și viteză pentru fiecare grad de libertate și structura de calcul care asigură programarea (instruirea) și comanda sa. Funcționarea robotului este "în buclă deschisă" față de mediul de lucru (robot fără senzori), nepercepând modificările (unele produse chiar de funcționarea sa) din mediul de lucru. Următoarele nivele ierarhice ale robotului se realizează prin adăugarea unor sisteme din ce în ce mai complexe, cum sunt: sistemul sensorial (senzori de efort, tactili, de proximitate, vizuali), mecanisme evaluate de comunicare om – robot (terminale grafice și universale, comunicări prin voce etc.) și sisteme complexe de programe care asigură prelucrarea robotului în limbaje de nivel înalt, la limită, chiar în limbaj natural, planificarea automată a funcțiilor robotului etc. Funcționarea acestor roboți este "buclă închisă" față de mediul de lucru, ei pot să îndeplinească sarcini care nu au fost cunoscute și descrise total a priori și se pot adapta la modificările mediului de lucru.Acești roboți cu caracteristici noi se denumesc "roboți evoluați", "adaptive", "inteligenți", "de generațiile doi sau trei" etc.

Prin automatizare flexibilă (suplă) se înțelege automatizarea usor reprogramabilă în procesele industriale de tip construcții de mațini, realizată cu ajutorul roboților industriali (de transport, de control, de calitate etc.) a calculatoarelor electronice de conducere, a mașinilor – unelte cu comandă numerică, a magaziilor automate, a liniilor transportatoare și a altor dispozitive tehnologice de comandă.

Conducerea unei celule de atomatizare flexibilă, corespunzătoare postului clasic de lucru, este realizată de unul sau mai multe calculatoare, rolul omului reducându-se la programare și supervizare. Flexibilitatea se referă la capacitatea uneia și aceleași linii (grupe de utilaje) tehnologice de a executa – cu un efort și timp minim de pregătire a lor – o gamă variată de piese și operații, făcând astfel rentabilă automatizarea fabricației în serii mici, precum și creșterea productivității în procesele de fabricație cu specific de construcții de mașini. Flexibilitatea este conferită de utilizarea calculatoarelor electronice care comandă roboții și utilajele tehnologice, calculatoare ce își pot foarte ușor adapta sau modifica programul de lucru. Unirea automatizării flexibile cu proiectarea, pregătirea tehnologică și producția asistată de calculator creează sisteme flexibile integrate de producție deschizând calea spre realizarea liniilor și secțiilor de producție complet automatizate (uzine fără muncitori). În aceste structuri noi de producție, operatorii umani, de înaltă calificare, stabilesc cantitatea și calitatea produselor executate, supraveghează, cu ajutorul calculatoarelor, funcționarea și întreținerea întregului sistem, reprogramează roboții și calculatoarele etc. În celulele de automatizare flexibilă lucrează în cooperare mașini unelte, roboți evoluați de manipulare, transport și de inspecție (control de calitate) cu caracteristici adaptive și inteligente, realizând sisteme flexibile de fabricație. Aceste sisteme se caracterizează prin: grad înalt de flexibilitate, timp scurt de adaptare la noi cerințe de producție, realizarea unor sarcini coplexe cu minimizarea consumului de materii prime și energie și creșterea productivității și a fiabilității, separarea spațială și temporară a operațiilor umani de mașinile producătoare, asigurarea comunicării om – sistem într-un limbaj de nivel înalt etc.

Domeniile de aplicare ale tehnicii roboților se lărgesc mereu, ei putând fi utilizați în industrie, transporturi, agricultură, sfera serviciilor, în cunoașterea oceanului și a spațiului cosmic, în cercetarea științifică etc.

Statisticile privind tipurile de roboți arată sugestiv creșteri importante ale numărului roboților care răspund unor aplicații neindustriale. Dacă în cursul anului 2000 numărul unităților instalate a ajuns la 112 500, la sfârșitul anului 2005 se estimează ca numărul acestora va ajunge la aproape 700 000. Această dezvoltare, chiar spectaculoasă, în direcția aplicațiilor neindustriale justifică trecerea în revistă în rândurile de mai jos a principalelor subdomenii în care roboții nemanufacturieri sau roboții de serviciu își pot găsi aplicabilitate. Aceste domenii sunt: construcțiile, reabilitarea bolnavilor, comerț, transport și circulația mărfurilor, administrația locală, protecția de radiații și intervenții în caz de catastrofe; hoteluri și restaurante; în medicină, gospodărie, hobby și petrecerea timpului liber.

Pentru a sugera aplicații concrete în aceste subdomeni, sunt precizate mai departe direcțiile care pot fi avute în vedere. în medicină: sisteme robotizate pentru diagnoza prin ecografie, sisteme robotizate pentru intervenții neurochirurgicale; telemanipulatoare pentru chirurgie laporoscopică; vehicule ghidate automat pentru transportul bolnavilor imobilizați la pat; vehicule ghidate automat pentru transportul medicamentelor, alimentelor, băuturilor și lenjeriei de schimb; vehicule ghidate automat pentru activități de curățenie și dezinsecție în spitale; sisteme robotizate pentru pregătirea prin simulare, înainte de operație a unor intervenții chirurgicale etc. Pentru reabilitare se pot identifica următoarele aplicații: scaun cu rotile pliant, îmbarcabil în autoturisme; manipulator pentru desăvârșirea persoanelor paralizate, vehicul pentru conducerea nevăzătorilor etc.

În construcții: vehicul ghidat automat pentru asfaltarea șoselelor, sistem robotizat pentru stropirea betonului în construcția tunelurilor; robot mobil pentru cofraje glisante; excavatoare autonome, sistem robotizat pentru compactarea și nivelarea suprafețelor turnate din beton; sistem robotizat pentru inspectarea fațadelor clădirilor; sistem robotizat pentru montarea/demontarea schelelor metalice etc.

În administrația locală: vehiculul autonom pentru curățirea zăpezii de pe autostrăzi; vehicul autonom pentru menținerea curățeniei pe străzi; sistem robotizat pentru inspecția și întreținerea automată a canalelor etc.

Pentru protejarea mediului înconjurător: sistem robotizat de sortare a gunoiului în vederea reciclării, sistem automat de inspectare, curățare și recondiționare a coșurilor de fum înalte; platforme autonome mobile pentru decontaminarea persoanelor, clădirilor străzilor; vehicul ghidat automat pentru decontaminarea solului în agricultură etc, dintre aplicațiile posibile se pot aminti: sistem robotizat de plantarea răsadurilor; sistem robotizat de culegere a fructelor; sistem robotizat de culegere a florilor; sistem robotizat de tundere a oilor etc. În comerț, transporturi, circulație: vehicule ghidate automat pentru întreținerea curățeniei pe suprafețe mari (peroane pe gări, autogări și aeroporturi); sistem robotizat de curățire automată a fuselajului și aripilor avioanelor; sistem automatizat de alimentare cu combustibil a autovehiculelor etc. Hotelurile și restaurantele pot fi prevăzute cu: sisteme robotizate pentru pregătirea automată a sălilor de restaurant, de conferințe; sistem de manipulare automată a veselei; minibar mobil de pază pe timpul nopții în muzee; robot mobil pentru paza clădirilor și șantierelor; vehicul autonom pentru stingerea incendiilor; robot mobil pentru detectarea și dezamorsarea minelor; sistem robotizat pentru intervenții în spații periculoase etc. În gospodărie, pentru hobby și petrecerea timpului liber se pot identifica următoarele aplicații: robot de supraveghere generală a locuinței, robot mobil pentru tunderea automată a gazonului; instalație robotizată pentru curățirea bărcilor de agrement și sport etc.

În general roboții constituie o clasă de sisteme tehnice care imită sau substituie funcții motrice sau intelectuale umane. Aceasta se realizează prin asocierea diferitelor tipuri de sisteme de manipulare sau locomotoare, determinând caracterul antropomorfic al robotului, cu diferite tipuri de echipamente de calcul sau logice, care determină funcțiile intelectuale ale acestuia. Roboții își desfășoară activitatea într-un mediu concret, ale cărui caracteristici pot rămâne constante sau sunt variabile în timp.

Din punct de vedere al relației om-robot în timpul desfășurării lucrului roboților, aceștia se împart în trei mari categorii:

• Roboți automați;

• Roboți biotehnici;

• Roboți interactivi.

Roboții automați realizează funcțiile lor fără participarea directă a omului în procesul de comandă. Având în vedere adaptabilitatea lor la condițiile mediului în care își realizează funcțiile, roboții automați se împart în trei generații:

1. Roboți din generația I, care se caracterizează prin program fix de funcționare, ei fiind capabili să repete în mod strict operațiile specifice în program, sub condiția invariabilității mediului în care lucrează. Fără perturbații externe. Sunt utilizați cel mai bine aplicații pentru operații ce se repetă stereotip.

2. Generația a II a cuprinde roboții adaptativi, capabili să lucreze în condiții de mediu variabile sau parțial necunoscute inițial.

Capacitatea de adaptare a robotului la acțiunea perturbațiilor date de schimbările de mediu este determinată de senzorii cu care dotează acești roboți, de la care se obțin informații asupra schimbării condițiilor externe.

3. Generația a III a cuprinde roboții inteligenți, posedând oarecare caractere de inteligență artificială, gradul lor de inteligență variind în funcție de ceea ce au fost programați inițial. Acești roboții sunt capabili să-și definească acțiunea instantanee luând în considerare informațiile obținute prin senzori tactili, vizuali sau de zgomot asupra mediului de operare.

Roboții biotehnici sunt roboții la care există o permanentă participare a operatorului uman a unui buton sau manetă, este pus în funcțiune unul din gradele de mișcare a robotului. Sunt împărțiți în 3 subgrupe.

Roboții comandați pas cu pas;

Roboți captivi, denumiți și master-slave robots;

Roboți semiautomați.

În cazul roboților comandați pas cu pas, prin acționare de către operatorul a unui buton sau manetă, e pus în funcțiune unul din gradele de mișcare ale robotului.

Roboții master-slave sunt constituiți din două lanțuri cinematice deschise, prin lanț (mașter) având mișcarea comandată de operatorul uman, iar al doilea (slave) copiind la scară această mișcare și efectuând operațiile de manipulare pentru care este destinat robotul.

În cazul roboților biotehnici semiautomați, operatorul uman participă nemijlocit în procesul de comandă, dar în același timp cu el lucrează și un calculator universal sau specializat.

Roboții interactivi se caracterizează prin faptul că operatorul uman are numai o participare periodică în procesul de comandă, în restul timpului robotul fiind comandat de calculatorul electronic.

Funcțiile de lucru ale robotului industrial sunt deplasarea și orientarea obiectului într-un spațiu, apucarea-eliberarea obiectului manipulat într-un anumit spațiu și funcția locomotoare (deplasarea robotului în afara zonei de lucru). Aceste funcții sunt realizate de sistemul mecanic SM (fig.1.2.) al robotului, suportul 2, care poate fi fix (roboți staționari) sau deplasabili (roboți mobili) pe ghidajele 1 (uneori pe roți, la roboții folosiți pentru operația de stivuire, depozitare etc.) realizându-se astfel funcția locomotoare.

Fig. 1.2. Structura general a unui robot industrial

Funcția de mișcare a robotului se obține prin subansamblele 3, 4, 5 și 6 (fig. 1.2.), care realizează mișcări de translație T și de rotație R după axele de (gradele de libertate sau de mișcare ale robotului), determinând prin aceasta deplasarea obiectului manipulat într-o poziție oarecare în spațiu. Funcția de apucare-aruncare a robotului este realizată de mâna 6 cu ajutorul degetelor 7 ce execută mișcarea 8. Obiectul manipulat de mâna 6 poate fi o piesă, o sculă, un pistol de vopsit, un cap de sudare, o șurubelniță etc. Pentru a realiza funcția de mișcare, manipulatorul robotului industrial se constituie ca un plan cinematic deschis, ca în fig.. 1.2., sau uneori parțial închis. Această funcție se execută în două faze distincte: deplasarea obiectului manipulat și orientarea acstuia, faze ce se pot defini cu ajutorul noțiunilor de punct caracteristic, drept caracteristică și dreaptă auxiliară. Punctul caracteristic este un punct oarecare al obiectului manipulant, dreapta caracteristică este o dreaptă ce trece prin acest punct, iar dreapta auxiliară este o dreaptă perpendiculară caracteristică în punctul caracteristic. În prima fază, se realizează deplasarea punctului caracteristic dintr-o poziție în alta, pe o anumită traiectorie, mecanismul ce realizează această fază fiind numit generator de traiectorie. Orientarea dreptei caracteristice și a celei auxiliare în poziții corespunzătoare poziției finale impuse a obiectului manipulant se realizează prin mecanismul de orientare al robotului.

Deplasarea obiectului manipulant înseamnă modificarea celor trei coordonate ale puctului caracteristic, deci sunt necesare pentru aceste trei gazde de miscare, de exemplu, translație T5 și Tz și rotația Rz în fig. 1.2. Adăugarea unuia sau a două grade de mișcare suplimentare la mecanismul generator de traiectorie conduce la posibilitatea ocolirii obstacolelor în zona de lucru, a introducerii obiectului în recipienți sau îmbunătățirea dinamicii mecanismului.

Pentru orientarea deplină a obiectului manipulant sunt necesare, de asemenea, trei grade de mișcare (trei rotații, de exemplu, mișcarea Rr, fig 1.2.). Așa cum rezultă de mai sus, în construcția mecanismelor roboților industriali intră cuple de clasa 5-a (de rotație și translație). Modificarea poziției relative unghiulare sau liniare a elementelor ce compun aceste cuple se realizează pe elemente de acționare electromecanice, hidraulice sau pneumatice a acestor componente (în fig. 1.2., elementele de acționare se considerară înglobate în subansamblele 2 – 6).

Comanda mișcărilor unui robot se poate realiza pe calea manuală, prin panoul PC (fig. 1.2.) sau automat cu ajutorul echipamentului de comanda ECR. Indroducerea programului de funcționare în memoria echipamentului ECRse poate face manual, cu panoul PC sau cu ajutorul unui dispozitiv special de programare PC. Pentru a sincroniza fazele ciclului de lucru ale robotului cu cele ale procesului tehnologic, echipamentul ECR trebuie să emită semnale de comandă și pentru utilajele pe care se execută procesul tehnologic și invers.

Funcția de măsurare și recunoaștere a robotului se realizează cu senzori care determină starea robotului propriu – zis și a mediului exterior în care are loc acțiunea robotului. Asemenea senzori pot determina poziția sau viteza obiectului în timpul transportului, pot determina forța sau momentul de torsiune în timpul lucrului, măsoară temperatura sau zgomotul, pot sesiza poziția obiectului înainte de apucare, pot sesiza apariția unui obstacol în zona de lucru, pot fi sisteme de recunoaștere a formelor sau de înțelegere a vorbirii. Aceste informații sunt conduse la echipamentul de comandă ECR și prelucrate de aceasta în mod corespunzător. Pentru roboții mai puțin avansați tehnic ECR este un automat programabil, iar pentru roboții evoluați, este un calculator sau un grup de microprocesoare.

Ca și la om, "creierul" robotului, care este calculatorul, are un rol deosebit de important. El posedă în memoria sa:

un model al robotului fizic care înglobează relațiile între semnalelede excitare ale sistemului de acționare și deplasările robotului ca răspuns la aceste semnale.

un model al mediului, adică, o descrie a spațiului în care lucreză de exemplu zonele cu obstacole, consistența obiectelor ce trebuie manevrate, temperatura maximă sau minimă la care trebuie să execute mișcări etc.

programe care sa îi permită să înțeleagă ce obiectiv are de atins.

programe care să îi permită robotului fizic dacă acesta face bine ceea ce face (este pe un traseu ce duce la realizarea sarcinii programate).

Spațiul de lucru al unui robot industrial reprezintă volumul ce cuprinde totalitatea pozițiilor pe care le poate ocupa punctul caracteristic sau, altfel spus, este volumul cuprins între suprafețele care înconjoară toate pozițiile posibile ale dispozitivului de apucare. În cadrul acestui spațiu sunt realizate traiectoriile și pozițiile obiectului manipulat de robot și, deci forma spațiului de lucru este determinată de cele trei grade de bază ale mecanismului generator de traiectorie care pot fi translații sau rotații după cele trei axe de coordonate. În funcție de modul cum sunt combinate aceste trei grade de mișcare în cadrul schemei cinematice de bază a robotului obținem:

spațiul de lucru în coordonate carteziene;

spațiul de lucru în coordonate cilindrice;

spațiul de lucru în coordonate sferice.

Coordonatele care determină poziția punctului caracteristic în spațiile de lucru cartezian, cilindric și sferic rezultă din figura 1.3., astfel, în spațiul de lucru cartezian (dreptunghic), coordonatele sunt x, y, z în spațiul de lucru cilindric sunt r, cp, z iar în spațiul de lucru sferic poziția punctului este determinatăde parametrii p, φ, θ. Din aceasta rezultă tipul mișcărilor ce trebuie realizate de mecanismul generator de traiectorie, pentru realizarea lor fiind necesare trei cuple cinematice inferioare de translație T sau de rotație R.

Fig. 1.3. Poziția punctului characteristic în spațiul de lucru al robotului

Schema robotului ce lucrează în coordonate carteziene și spațiul său de lucru sunt prezentate in fig. 1.4., spațiul de lucru în acest caz este un paralelipiped dreptunghic având dimensiunileaa, b, h, acestea constituind mărimea curselor de translație după cele trei axe, Tx, yy, Tz, ca urmare mecanismul generator de traiectorie pentru acest tip de robot se realizează cu trei cuple de translație.

Roboții ce lucrează în coordonatele cilindrice conțin două cuple cinematice de translație, având mișcările Tx, Tz și o cuplă de rotație având mișcarea Rz cursele acestor mișcări fiind b, h respectiv unghiul cp (fig. 1.5.). Roboții care lucrează în coordonate sferice (fig. 1.6.) se realizează cu o cuplă cinematică de translație pentru realizarea parametului p și două cuple cinematice de translație pentru realizarea parametrilor φ și θ.

Fig. 1.4 Robot în coordinate carteziene

1.1 Gradele de libertate ale robotului și structura acestora

Sistemul mecanic al roboților industriali, denumiți și manipulatori, realizează funcția de mișcare a acestora, de structura manipulatorului depinzând posibilitățile de mișcare ale lui, deci deplasarea în spațiu al obiectului manipulant. Funcția de mișcare a unui manipulator se poate descompune în trei componente:

deplasarea obiectului manipulant în spațiu (modificarea coordonatelor în spațiu ale punctului caracteristic);

modificarea orientării obiectului manipulant (modificarea poziției în spațiu a dreptei caracteristice și acelei auxiliare – variația consinusurilor directoare);

apucarea, păstrarea și liberatea obiectului manipulant.

Deplasarea obiectului manipulant în spațiu se realizează cu subansamblul cinematic principal al manipulatorului care poartă denumirea de mecanism degenerator de traiectorie (traiectoria punctului caracteristic). Această traiectorie în spațiu al punctului caracteristic (obișnuit centrul de greutate al obiectului manipulant – cât acesta are formă regulată) se realizează în foarte multe forme prin combinarea mișcării de translație și a celor de rotație. În mod normal, poziția în spațiu a unui punct este determinată de cele trei coordonate, deci pentru generarea traiectoriei punctului caracteristic ar fi necesare trei grade de libertate (translații sau rotații). La unele tipuri de rotație numărul gradelor de libertate este mai mare ca trei, ceea ce conduce la creșterea flexibilității sistemului (manevrabilitate). Gradele de libertate suplimentare sunt necesare atunci când robotul trebuie să ocolească obstacole, să manipuleze în locuri greu accesibile (recipienții, interiorul unor autovehicule) etc, în general se execute operații din cele mai complexe.

Mecanismul de orientare al robotului se realizează la ultimul element al mecaniusmului generator de traiectorie, el realizând orientarea obiectului manipulant în raport cu un sistem de axe de referință solidar cu elementul de legătură. Orientarea totală se realizează cu maxim trei rotații (trei grade de mișcare ale acestui mecanism), ale mâinii robotului. Mâna robotului industrial se termină cu o palmă cu un număr de 2-5 degete, cu ajutorul cărora se apucă, în timpul deplasării pe traiectorie, și se eliberează obiectul manipulant.

Structura geometrică a roboților poate fi diferită în principal, funcție de lucrare pe care o au de îndeplinit. Pentru a putea identifica un robot și al compara cu altul este necesar să se cunoască o serie de elemente legate de cinematica roboților.

Se consideră un corp solid nedeformabil situat în spațiul tridimensional. Din mecanica teoretică se știe că acest corp posedă șase grade de libertate: trei care îi permit să se deplaseze și trei care îi permit să se orienteze. Considerând triedrul ortogonal cu originea în centrul de greutate al solidului, cele șase grade de libertate se pot exprima în particular astfel:

prin trei translații urmărind cele trei axe triedrului (T1, T2, T3); ele asigură deplasarea solidului în spațiul de referință;

prin 3 rotații (Rl, R2, R3) în jurul celor trei axe ale triedrului; aceste trei rotații asigură orientarea solidului în spațiul de referință, fig. 1.7.

În concluzir, utilizând cele 3 translații și cele trei rotații se poate deplasa solidul în orice loc din spațiul considerat și i se poate da orice orientare în comparație cu un oarecare reper.

Fig. 1.7. Solidul liber cu 6 grade de libertate

Când între două corpuri solide se stabilesc legături, atunci fiecare dintre ele pierde, în raport cu celălalt, o parte din gradele de libertate. Aceasta înseamnă că o parte din mișcările de translație sau de rotație pe care un corp le va efectua față de celălalt, devin imposibile. Solidul va avea în această situație mai puțin de șase grade de libertate.

Prin definiție, numărul gradelor de libertate ale unui robot este egal cu numărul gradelor de libertate ale organismului terminal. El este în funcție de numărul de segmente ce alcătuiesc structura mecanică și de numărul, natura și dispunerea legăturilor dintre ele.

Noțiunea de grad de libertate, care la prima vedere pare simplă, poate deveni pretențioasă în utilizare. De aceea trebuie făcute câteva precizări:

1. modul de obșinere a gradului de libertate (translație, rotație) poate să fie diferit pentru același rezultat final (poziția și orientarea dorită a organului terminal); aceasta va determina existența unor roboți cu structuri diferite, dar care fac același lucru;

2. numărul gradelor de libertate este comandat și de lucrarea pe care trebuie să o execute robotul, ținând cont de următoarele observații:

din rațiuni tehnice, specifice locului de muncă, organul terminal se poate apropia greu de zona de lucru și atunci robotul poate fi purtat de un batiu mobil (vehicul sau cărucior), de exemplu, pe un pod rulant, pe o șină etc., mobilitatea acestuia din urmă nu se constituie în grad de libertate;

în alte cazuri robotul va trebui să-și strecoare brațul prin ferestre de dimensiuni mici, sau să-și plaseze brațul în spatele unui panou și atunci brațul trebuie să aibă mai multe articulații (cazul brațelor "trompă de elefant"); aceasta nu se constituie grad de libertate, ci reprezintă o creștere a gradelor de mobilitate;

3. gradele de libertate proprii sculei transportate de mâna mecanică a robotului nu trebuie interpretate drept grade de libertate ale robotului; astfel, dacă robotul transportă un dispozitiv de găurit, mișcarea de rotație a burghiului nu face parte din gradele de libertate ale robotului. Aspectele prezentate mai sus atrag atenția asupra posibilităților de interpretare greșită a numărului gradelor de libertate, adică atribuirea de grade de libertate false.

Comentariile precedente arată că un robot are nevoie de 6 grade de libertate pentru a manipula orice obiect din mediul său de lucru, acesta fiind un caz general, deoarece de foarte multe ori roboții posedă mai puțin de 6 grade de libertate.

În concluzie, un robot industrial nu are mai mult de 6 grade de libertate, dar poate să aibă mai multe grade de mobilitate.

1.2 Tipuri de structuri ale roboților

Structura unui robot este un ansamblu de corpuri, teoretic rigide, legate prin cuple cinematice. O cuplă care intervine între 2 corpuri creează o serie de restricții în ceea ce privește mișcarea relativă a acestora. Majoritatea legăturilor dintre rigide ale unui robot industrial sunt de clasă 5 (au un singur grad de libertate) aceastea fiind cuple de rotație (rotoide) și cuple de translație.

Corpurile Ci și legăturile Li care constiuie robotul, pot fi dispuse sub forma unui lanț cinematic în raport cu un corp de referință C0 – fix sau mobil, denumit batiu. Mai frecvent, se întâlnesc următoarele structuri:

– structură simplă, care un corp oarecare al lanțului cinematic, diferit de C0 și organul terminal (OT), posedă un corp precedent și un corp ascendent (fig. l.8.);

– structură arborescentă la care un corp oarecare al lanțului cinematic diferit de C0 și organul terminal (OT) posedă un corp precedent cu mai multe succesoare (fig. l.9.);

– structură complexă la care un corp oarecare al lanțului cinematic, diferit de Q și organul terminal (OT) posedă mai multe corpuri precedente și mai multe corpuri succesoare (fig. 1.10.);

– structură paralelă, la care există mai multe corpuri C0 distincte între care un corp oarecare diferit de organul terminal (OT) posedă mai multe corpuri succedente și mai multe corpuri succesoare (fig. 1.11.).

Lanțul cinematic cel mai simplu este evident cel cu structură simplă, pentru aceasta indicile de mobilitate N fiind obținut un număr minim de legături (cuple).

Structura de acest fel are o flexibilitate mare și un bun comportament dinamic, în schimb rigiditatea este redusă pentru lungimi mari sau număr mare de cuple ceea ce va implica o precizie mică a poziționării OT. Structura aborescentă posedă mai multe organe terminale, pretându-se pentru operații de asamblare în rest având proprietăți asemănătoare structurii simple. La structurile complexe apar așa numitele "bucle mecanice", avantajul principal fiind o bună rigiditate favorabilă pentru o precizie ridicată, dar datorită inerției ridicate rapiditatea de răspuns dinamic este diminuată. Structurile paralele prezintă cea mai mare rigiditate, mai multe lanțuri cinematice independente modificând poziția și orientarea unei platforme sau a unui organ terminal, dezavantajele fiind aceleași cu cele ale structurilor complexe.

Exceptând roboții mobili, batiul C0, raportat la un reper ortonormat Rn (Oo, Xo, Yo, ZQ) este fixat în timp ce corpurile Ci, C2, Cn sunt mobile. Înainte de montajul robotului, cele n corpuri mobile în raport cu R0 sunt definite de 6n parametric. O legătură de clasă c între două corpuri creează o restricție de c parametrii.

Pentru un RI posedând Ne legături de clasă c se definește gradul său de mobilitate M (indice de mobilitate RI) ca fiind:

(1.1.)

Rezultat după montaj, reprezentând numărul maxim de parametri liberi pe care îi determină geometria.

Marea varietate a roboților existenți la ora actuală au în majoritatea cazurilor, următoarele tipuri de structuri de bază:

– structura TT, caracterizată prin faptul că este constituită dintr-un lanț cinematic deschis, alcătuit din trei cuple cinematice de translație. Ponderea acestei structuri reprezintă 14% din totalul roboților industriali. Pentru exprimarea poziționăriieste recomandată utilizarea coordonatelor carteziene, spațiul de lucru fiind paralelipipedic. Structura prezintă o bună rigiditate și o capacitate de încărcare de ordinul zecilor de daN. Inerția și cuplurile gravitaționale măsurate la nivelul fiecărei legături variază puțin de la o configurație la alta, facilitând alegerea acționărilor. Vitezele obținute la OT sunt medii, iar deformațiile elastice sunt importante pentru lungimi mari.

– structura RTT, se caracterizează prin faptul că este constituită dintr-un lanț cinematic deschis, alcătuit, plecând de la bază, dintr-o cuplă cinematică de rotație și două cuple cinematice translație. Ponderea acestei structuri este de aproximativ 47% din totalul roboților industriali. Pentru exprimarea poziționării este recomandată utilizarea coordonatelor cilindrice, spațiul de lucru fiind cilindric. Structura permite obținerea simultană a unei bune rigidități și repetabilități și a unei capacități de încărcare de câteva zeci de daN.

– structura RTR sau RRT sau TRR. Lanțul cinematic deschis al structurii de bază are două cuple de rotație și una de translație. Ponderea acestei structuri este de aproximativ 1% din totalul roboților industriali și lucrează în coordonate toroidale. Structura, denumită și SCARA (Selective Compliance Assambly Robot Arm), are o mare rigiditate mecanică într-un plan ce trece prin axa primei cuple și printr-un punct al OT, dar este foarte flexibilă într-un plan perpendicular pe acesta.

– structura RRR. Lanțul cinematic deschis al structurii de bază are trei cuple de rotație. Ponderea acestei structuri de aproximativ 25% din totalul roboților industriali și lucrează în coordonate sferice.

Principalul avantaj al acestei structuri este spațiul de lucru foarte mare în poziție menținând un gabarit redus al roboților industriali.

1.3 Modalități de concepere a roboților

Varietatea extrem de mare a roboților, (universali, speciali sau specializați) concepuți actualmente pe plan mondial din diverse considerente, în special de ordin tehnologic, a impus tendința de realizare a acestora din module tipizate, acesta reprezentând, așa cum s-a arătat mai înainte, subansambluri care îndeplinesc diverse funcțiuni în cadrul structurii mecanice.

Utilizarea subansamblelor și modulelor unificate permite micșorarea timpului și cheltuielilor pentru crearea și introducerea în producție a utilajului automatizat, ridicarea fiabilității, micșorarea considerabilă a costului, ușurarea reparațiilor și a întreținerii în timpul exploatării. Prin modul se înțelege o unitate de asamblare a roboților care constă din unul sau mai multe subansambluri tipizate și fișe, care au parametrii și dimensiunile de legătură aceleași, care sunt interschimbabile și au posibilitatea de a îndeplini funcțiile date, ele singure sau împreună cu alte module. Prin asamblarea acestor module, se obțin roboți industriali modulați. Evident, diverse variante de structuri mecanice, realizate prin combinarea modulelor tipizate, au în componența lor și elemente de legătură corespunzătoare pentru sistemele de acționare și comandă, concepute, de asemenea, în sistem modularizat, în conformitate cu literatura de specialitate, structurile mecanice ale roboților pot fi constituite din module caracteristice, care pot fi grupate astfel:

1. module de bază, care cuprind batiurile și elementele de deplasare;

2. module generatoare de traiectorie de tip coloană sau braț;

3. module de orientare cu M grade de mobilitate;

4. module de prindere (de prehensiune, apucătoare).

În practica construcției roboților industriali pot fi concepute module cu mai multe funcțiuni: de ghidare, orientare și prindere, denumite module polifuncționale.

Capitolul 2 – Roboții mobili. Generalități, actualitate și importanță

Aplicațiile industriale și tehnice ale roboților mobili cîștigă continuu în importanță, în special din cauze de siguranță (execuția sigură și neîntreruptă a sarcinilor monotone ca de exemplu), accesibilitatea (inspectarea locurilor care sunt inaccesibile oamenilor, exemplu: spații înguste, medii cu grad sporit de risc, sau locuri îndepărtate) sau cost (sistemele de transportare s-au bazat pe faptul că roboții autonomi mobile pot să fie mai ieftini decât alte sisteme de transport). Roboții mobili sunt deja folosiți în mare măsură având sarcini pentru supraveghere, inspecție și transport.

Robotul trebuie să funcționeze în condiții de siguranță, să știe să ocolească obstacolele, să evite locurile periculoase, să nu prezinte nici un risc pentru oameni. Mobilitatea robotului nu poate fi luată în calcul fără capacitatea acestuia de a naviga și de a se orienta într-un anumit mediu. Mișcările aleatoare care nu necesită capabilități de orientare, pot fi folositoare pentru activități de asigurare a securității unor spații, la operații de curățare, dar pentru cele mai multe aplicații științifice și industriale abilitatea de mișcare într-un anumit fel este necesară.

Un rol important în cadrul atelierelor flexibile de producție îl joacă roboții mobili, care asigură deplasarea produselor între magazii, spații de avertizare, celule de automatizare flexibile. La cețti roboți, funcția de acțiune se manifestă prin deplasarea robotului în mediul de lucru, cea de percepție – prin construirea unui hărți al terenului, iar cea de decizie – prin generarea și execuția traseului de mișcare, cu ocolirea obstacolelor și minimizarea postului deplasării.

La roboții mobili apar probleme specifice, cum ar fi evitarea impactului cu obiecte staționare sau în mișcare, determinarea poziției și a orientării robotului în teren, planificarea traiectoriei optime de mișcare.

Evitarea coliziunii cu obstacolele se poate face prin mai multe metode:

– realizarea unei apărători mecanice care prin deformare oprește robotul;

– folosirea senzorilor care măsoară distanța până la obstacolele de pe direcția de deplasare;

– folosirea senzorilor de proximitate;

– folosirea informației corelată de la mai multe tipuri de senzori.

Navigația este posibilă și fără determinarea poziției și orientării robotului față de un sistem de coordonare fix, doar această informație este utilă pentru sistemul de comandă al mișcării. Datorită periodicității cu care se explorează mediul înconjurător și al întârzierilor introduse de prelucrarea informației senzoriale, nici nu se poate calcula precis și conține poziția și orientarea robotului în teren. Între punctele din teren determinate, poziția și orientarea robotului se interpolează.

Dintre metodele de navigație mai des utilizate se pot menționa:

– măsurarea numărului de rotații efectuate de roțile motoare;

– folosirea de accelerometre și giroscoapă;

– geamanduri electromagnetice instalate în teren.

Planificarea traiectoriei se poate face cu ajutorul modelului terenului, sau în cazuri mai simple fără acestea. Lipsa modelului terenului (harta terenului) implică însă posibilitatea determinării direcției în care se află ținta, existența unui sistem de protecție pentru evitarea coliziunii cu obstacolele și posibilitatea determinării poziției robotului în teren.

Dacă funcția de percepție construiește o hartă a terenului, atunci peste ea se proiectează o grilă de control paralelă cu axele sistemului de referință fix în care se deplasează robotul. În acest fel, pe hartă apar pătrate egale (sectoare) care sunt numerotate începând cu acela care conține sistemul de referință fix. În funcție de informația furnizată de sistemul de vedere și senzorii de măsurare al distanței, fiecare sector de pe hartă se definește ca traversabil, netraversabil (conține obstacole), sau necunoscut.

Se identifică, de asemenea, numărul sectoarelor în care se află robotul si ținta traiectoriei. Între aceste două sectoare trebuie găsită o traiectorie care să treacă numai prin sectoarele traversabile și să minimizeze postul deplasării (exemplu: minimizarea energiei consumabile).

Roboții care își planifică singuri traiectoria de mișcare sunt dotați cu funcția de decizie și încadrat în clasa roboților evoluați inteligenți.

Desigur, există roboți la care traiectoria nu se planifică, este fixă și marcată pe teren. În acest caz, ei trebuie să evite obstacolele interpuse accidental pe traiectoria marcată și să prelucreze informația de navigație, realizând astfel urmărirea traiectoriei fixate. Acești roboți mobili nu sunt inteligenți, dar sunt deosebiți de utili pentru asigurarea transportului în atelierele flexibile de producție.

2.1. Clasificare

Există o mare varietate de roboți mobili (de transport), ei clasificându-se în 3 grupe mari, așa cum se observă pe reprezentarea din fig. 2.1. și anume:

– roboți mobili cu deplasare pe o bază situată pe sol sau cu deplasare directă pe sol (pneu);

– roboți mobili cu deplasarea pe verticală sau cu deplasare în coordonate (pe orizontală și verticală);

– roboți mobili cu deplasarea pe o cale suspendată.

Fig. 2.1. Clasificarea roboților mobili

Roboții cu deplasare la sol se pot deplasa pe ghidaje sau se amplasează pe cărucioare automate prevăzute cu roți, cu deplasare pe o traiectorie materializată prin șină sau direct pe sol, caz în care traiectoria este materializată de un fir inductiv sau de o bandă luminiscentă. Acestea din urmă sunt mijloace de transport și manipulare cu un înalt grad de flexibilitate, putându-se deplasa pe cele mai variate traiectorii.

Cărucioarele automate cu deplasare pe o cale suspendată monoșină au instalate pe ele un robot cu un număr mai mare sau mai mic de module de rotație, în special, dar și de translație. Un număr mai mic de grade de libertate au de obicei roboții cu deplasare pe un portal sau roboții instalați pe o punte, aceasta din urmă deplasându-se pe portal.

Pentru deplasări pe distanțe mai mici, roboții mobili la sol se pot deplasa pe ghidaje executate pe baza robotului. Un exemplu în acest sens îl constituie robotul industrial cu 6 grade de libertate din familia Beroe – Bulgaria, reprezentat în fig. 2.2.

Robotul lucrează în coordonate cilindrice, este cu acționare hidraulică, cu transformarea mișcării prin pinion – cremalieră.

Pentru deplasări pe distanțe mari, se utilizează cărucioarele automate dotate cu roboți care îndeplinesc operațiile de transfer ale materialelor transportate de cărucior între acesta și postul de lucru din sistemul tehnologic, acestea sunt numite robocare. Robocarele se pot deplasa pe șine, fiind dotate cu un sistem de roți metalice sau se pot deplasa liberi, pe pneuri, fiind ghidate pe fir inductiv sau fotoelectric. Acționarea (propulsia) acestor robocare se realizează cu motoare electrice de curent continuu, alimentate în mod normal, de la baterii de acumulatoare încărcate pe robocar. Tot pe acestea se mai găsesc:

platforma superioară, pe care se amplasează sarcina transportată pe robocar, această platformă putând fi fixă, cu ridicare pe verticală, cu roțile la 270 de grade sau cu ridicare și rotire;

echipamentul de comandă îmbarcat care realizează comanda de transport după un program propriu sau după semnale primite de la echipamentul de comandă la sol (calculator);

echipamentul de urmărire al traiectoriei, care în componență senzori inductivi sau fotoelectrici, amplificator), bloc de diferență și motor de corecție al direcției care poziționează în mod corespunzător roata directoare sau motodirectoare al căruciorului;

senzori pentru recunoaștere și protecție împotriva coliziunilor pe traseul de transport și senzori cu traductoare de deplasare și viteze, pentru măsurarea traseului parcurs și pentru controlul perioadelor de accelerare și frânare la plecarea din, respectiv oprirea, stații;

bara de protecție împotriva șocurilor, care sunt prevăzute și cu mijloace sau senzori de proximitate pentru comanda întreruperii acționării în momentul coliziunii;

panouri hidraulice, în cazul când acționarea robotului îmbarcat pe robocar este hidraulică sau când platforma ridicătoare este acționată hidraulic;

elemente de semnalizare luminoasă sau sonoră a prezenței pe traseul de transport a robocarului.

În cazul când robocarul nu este dotat cu un robot îmbarcat, pe platforma superioară a sa se prevede un modul de predare/primire a sarcinii. Aceasta este amplasată pe o paletă standardizată și prevăzută la partea inferioară cu suprafețe inferioare, predare/primire putând avea loc între un depozit și robocar sau între robocar și o mașină – unealtă.

Un exemplu de utilizare a robocarelor pentru îndeplinirea funcției de transport într-un sistem flexibil de fabricație este prevăzut în fig. 2.3., care prezintă un sistem flexibil de fabricație, care integrează calculatoare, mașini unelte cu comanda numerică, dispozitive de inspecție automată, roboți industriali de manipulare, roboți mobili, linii de transport, magazii automate etc. De la magazia automată de tip celular, elevatorul predă semifabricatele la masa de primire unde piesele se fixează pe paletele normalizate (standardizate). Pe măsura necesității, paletele se încarcă cu ajutorul transportorului pe unul din cei doi roboți mobili de transport la sol, care deservesc transportoarele de alimentare ale centrelor de prelucrare și mesele rotative de încărcare ale altor centre de prelucrare. Pentru urmărirea traseului este utilizat sistemul de ghidare inductiv. La acest sistem informația privind direcția de deplasare, rotire și oprire și se transmite de la calculatorul de comandă prin cablul de inducție în lungul căruia se deplasează mijlocul de transport. Deoarece sistemul acționează un număr de două robocare, intersecțiile traseelor de transport (nodurile de rețea) trebuie astfel realizate încât să se evite situațiile de conflict posibile.

Roboții mobili cu deplasare verticală se utilizează în construcția și repararea navelor (de exemplu pentru vopsirea pereților navei sau pentru efectuarea unor suduri continuu cu arc), în industria de construcție, în diagnosticarea construcțiilor înalte, în energia atentă, în deservirea depozitelor verticale. Operațiile tehnologice executate cu acești roboți industriali sunt:: vopsirea suprafețelor metalice verticale sau înclinate, tencuirea pereților, curățirea suprafețelor metalice sau din beton, controlul automat și diagnoza cusăturilor de sudură, verificarea defectelor și a calităților suprafețelor, tăierea automată cu gaz sau cu plasmă a tablelor, depozitarea automată în depozitele celulare verticale.

Deplasarea verticală sau înclinată este ghidată în mod corespunzător de ghidaje "coadă de rândunică" de tijă, magneți etc. Modulul de comandă se amplasează de regulă, la sol, dar poate fi și îmbarcat.

Roboții utilizați la deservirea depozitelor verticale se realizează de forma elevatoarelor automate, acestea deplasându-se în plan vertical. Un exemplu în acest sens îl reprezintă celula flexibilă robotizată, prezentată în fig. 2.4. În această celulă, rolul robotului de alimentare cu piese îl îndeplinește elevatorul automat, care realizează transferul paletelor cu piese între depozitul celular vertical și cele două centre de prelucrare din componența celulei. Accesul la celulele depozitului la mesele centrului de prelucrare este asigurat de deplasările pe verticală și orizontală ale elevatorului automat.

Fig. 2.3. Sistem flexibil de fabricație

Roboții metalici cu deplasare pe căi suspendate pot fi de tipul cu deplasare "pe portal" și cu deplasare "pe punte". Acești roboți au o largă utilizare în următoarele aplicații:

în sistemele flexibile de fabricație prin așchiere pentru alimentarea cu piese și scule a mașinilor – unelte care constituie posturile de lucru ale sistemului, aceasta în special când se prelucrează piese de revoluție;

în sisteme de montat automat (în special roboții pe punte);

în transportul și depozitarea automată a pieselor, sculelor, dispozitivelor.

Diferitele variante ale roboților cu deplasare "pe portal" și "pe punte" se deosebesc între ele prin numărul de brațe (unul sau două), prin număarul gradelor de libertate ale dispozitivului de apucare (1, sau 3 grade de libertate), prin existența sau lipsa dispozitivelor pentru schimbarea automată a apucătorului, prin mărimea curselor după diferitele grade de mișcare ale robotului.

În cazul când un robot industrial pe portal este utilizat pentru alimentarea cu piese sau scule a mașinilor – unelte în sistemele flexibile robotizate, acestea se realizează în mod normal cu două brațe.

Ambele brațe ale robotului sunt amplasate pe același cărucior, unul dintre ele preluând semifabricatul care trebuie dus pe mașină, iar celălalt va prelua piesa prelucrată de pe mașina respecțivă. Cele două brațe ale robotului pot fi amplasate în același plan sau pot forma între ele un unghi ascuțit.

Ca și roboții industriali cu amplasare pe sol, și roboții mobili suspendați pe portal se realizează în concepție modulară. Pentru a acoperi o zonă de lucru mai mare, iar ca robotul să fie amplasat pe o punte, se pot realiza roboți pe portal cu braț basculant.

Roboții mobili cu deplasare pe punte se deosebesc cu cei cu deplasare pe portal prin faptul că sunt amplasați pe un cărucior care, la rândul său, se amplasează pe o punte.

Roboții mobili cu deplasare pe punte și cu brațul de deplasare verticală Z se utilizează în special, în alimentarea cu pișe și scule a mașinilor unelte din sistemele flexibile de fabricație, în montajul automat sau la operații de depozitare; roboții pe punte cu brațe basculante își găsesc aplicații în special la sudarea cu arc electric. În general roboții industriali mobili cu deplasare pe portal sau pe punte sunt prevăzuți cu comandă de poziționare într-un număr mare de puncte și numai roboții utilizați la operațiile de sudură cu arc realizează comanda automată după traiectorie.

2.2. Structura roboților mobili

Singurele lucruri avizate au fost cercetarea și executarea de traiectorii pentru vehicule, având obiceiul de a caracteriza roboții mobili prin trei funcții care sunt:

funcția de locomoție;

funcția de percepție – decizie;

funcția de localizare.

Pentru a evidenția cele trei funcții ale unui robot mobil, se recurge la următoarea analogie: Un om trebuie să plece dintr-un loc anume și să ajungă într-un alt loc anume, într-un timp cât mai scurt. Fiind într-un oraș civilizat, fiecare stradă este etichetată, precum și fiecare casă. Astfel, funcție de cunoștințele geografice locale, persoana în cauză recunoaște una după alta fiecare stradă în parte, certitudinea fiind dată de denumirile străzilor. În fig. 2.5. este prezentat traseul ce trebuie parcurs.

Fig. 2.5. Traseul omului pentru a ajunge în locația B, pornind din A

În primul rând omul este dotat cu sistem locomotor biped. Pentru a ajunge în locația B, acesta are înmagazinat în memorie traseul sub forma următorului text: "o iau pe strada X până ajung la intersecția cu străzile T și Z, apoi o iau pe Z până la intersecția cu U după care o țin pe strada șerpuită U până dau de locația B".

După cum se observă, memoria înmagazinează cunoștințele necesare localizării tuturor traseelor (segmentelor de traseu) posibile, care reunite compun traiectoria dorită. La un moment dat, omul își aduce aminte, văzând intersecția străzilor X cu Y, că mai există un traseu posibil de a ajunge în locația B. Se oprește după ce a perceput o a doua variantă, și, dându-și seama că noul traseu este mai scurt, schimbă traseul pe cea de-a doua variantă.

Faptul că traseul 2 este mai scurt, activează modulul decizie funcție de criteriul universal "economie de timp". În final se emite decizia schimbării traseului inițial propus.

Schematizarea problemei precedente poate fi reprezentata în fig. 2.6., unde:

a – localizarea biologică = picioare;

b și c – localizarea biologică = server (cap).

Fig. 2.6. Robotul mobil OM în realizarea traseului AB

După cum reiese din exemplul de mai sus, cele trei funcții ale robotului mobil OM sunt:

funcția locomotoare dezvoltată de sistemul biped de deplasare;

funcția de percepție – decizie dezvoltată de creier și subansamblul senzorial;

funcția de localizare dezvoltată de capacitatea de "comparare" a traseului instantaneu cu datele despre geografia spațiului.

2.3. Elemente mecanice ale roboților mobili

În componența elementelor mobile ale roboților pot intra mecanisme de naturi diferite: mecanice, hidraulice, pneumatice, electrice combinate sau nu între ele.

Cauzele utilizării mecanismelor mecanice și implicit ai elementelor mecanice în componența transmisiilor mecanice ale roboților sunt multiple. Determinantele sunt cauzele legate de condițiile funcționale ale sistemelor de transmisie, de particularitățile robotului mobil.

Din cele de mai sus rezultă, pe de o parte, indispensabilitatea mecanismelor mecanice în construcția roboților, iar pe de altă parte, oportunitatea tratării principalelor aspecte legate de calculul și proiectarea elementelor mecanice.

Precizia de poziționare, siguranța în funcționare, ușurința exploatării și întreținerii sunt cerințe ale roboților industriali și de cei de tipul constructivi și de precizia de execuție al fiecărui mecanism component.

În construcția elementelor mecanice ale roboților sunt utilizate o diversitate de materiale. Importanța deosebită pentru constructorii de roboți, prezintă materialele folosite în construcția elementelor mecanice specifice mașinilor unelte cum ar fi: batiurile, ghidajele, carcasele, lagărele, roțile dințate, șuruburile conducătoare. La alegerea materialelor pentru elementele mecanice concură o serie de factori, unii dintre aceștia au valabilitate generală, alții sunt proprii unor anumite elemente mecanice.

Factorii determinanți, cu valabilitate generală, în alegerea materialului îl constituie natura și mărimea solicitării elementului mecanic considerat.

În principal, la alegerea materialului în concordanță cu natura și mărimea solicitării se disting 3 faze:

– elemente mecanice ale căror dimensiuni sunt determinate de condițiile de rezistență, se execută din materiale cu proprietăți înalte de rezistență, în special din oțel îmbunătățit sau călit din fontă de înaltă rezistență (roți dințate, arbori);

– elemente mecanice ale căror dimemsiuni sunt determinate de condiții de rigiditate se execută din materiale cu un modul de elasticitate ridicat, cum ar fi o oțelul netratat termic și fonta;

– elemente mecanice supuse eforturilor unitare de contact se execută: în cazul unor eforturi unitare de contact, mari, din oțel călit la durități ridicate (roți dințate puternic solicitate); la eforturi unitare de contact medii și mici, din oțel îmbunătățit netratat termic, din fontă și materiale nemetalice; în cazul condiției de alunecare (lagăre de alunecare, angrenaje melcate, frână) se execută o piesă dintr-un material antifricțiune sau de fricțiune, iar cealaltă din oțel îmbunătățit sau nu tratat termic din fontă, etc, astfel încât suprafața de contact să fie dură.

La alegerea materialului oricărui element mecanic, în afară de factorii mai sus amintit, concură și factorii economici care urmărește reducerea greutății acestora, tehnologie cât mai ușoară cu durabilitate în utilizare, folosind în acest scop materialele corespunzătoare.

Materialele utilizate frecvent în costrucția elementelor mecanice specifice roboților sunt fontele, oțelurile și într-o măsură mai mică aliajele neferoase și masele plastice.

Fontele sunt, prin excelență, folosite la confecționarea batiurilor sistemelor roboților, datorită faptului că aceste elemente, având forme complicate, se presează mai ușor a fi obținută prin turnare, ca și faptului foarte important, că fonta are proprietăți de amortizare a vibrațiilor. Fonta cea mai folosită la confecționarea elementelor mecanice este fonta cenușie.

În raport cu alte materiale folosite în construcția roboților, oțelurile se caracterizează printr-o rezistență mare, prin plasticiatate (spre deosebire de fonte), prin capacitatea de a fi supusă tratamentelor termice sau termochimice.

Cele mai utilizate oțeluri în construcția elementelor mecanice ale roboților sunt: oțelurile – carbon obișnuite, oțelurile – carbon de calitate și oțelurile aliate.

Aliajele neferoase cu deosebire bronzurile, sunt utilizate în principal, la confecționarea lagărelor cu alunecare. Bronzurile mai sunt utilizate și la confecționarea roților melcate, a altor elemente mecanice, ale căror suprafețe de contact cu piesele conjugate sunt supuse alunecări și ca urmare uzurii, în construcția roboților, materialele plastice sunt utilizate cu precădere la confecționarea ghidajelor aplicate. Dintre materialele plastice folosite în prezent în acest scop se poate aminti: Turcite (Italia), Diflon (USA), Skc (Germania).

Elementul mecanic cel mai important la un robot industrial este batiul. Pe acesta se montează, fix sau ca posibilitate de deplasare, ansamblurile și elementele ce compun roboții. Precizia traiectoriilor generate de un robot industrial depinde în cea mai mare parte, de menținerea poziției reciproce dintre ansamblurile fixe și cele mobile. Aceste cerințe impun ca bazele de așezare ale batiului să nu-și schimbe poziția reciprocă în timpul reglării și funcționării astfel spus, pricipala condiție ce trebuie să îndeplinească un batiu o constituie invariabilitatea pozițiilor relative dintre bazele de fixare și cele de ghidare în timpul funcționării robotului.

Condițiile pe care trebuie să le îndeplinească în batiu sunt:

o rigiditate cât mai mare, pentru excluderea deformațiilor elastice care apar în timpul deplasării roboților datorită greutății piesei manipulate;

rezistente la vibrații cât mai mare pentru a putea obține o calitate a traiectoriei corespunzătoare cerințelor și a obține regimuri ridicate la deplasarea elementelor mobile;

rezistente la uzură a organelor în mișcare și în special al ghidajelor de alunecare care să permită folosirea roboților în timp cât mai îndelungat fără reparații.

Datorită formelor variate pe care le pot avea traiectoriile organului terminal, controlul dimensional și de formă al ghidajelor constituie problemele cele mai dificile ale generării suprafețelor. Pentru înlăturarea acestor dificultăți, sunt folosite drept mecanisme pentru realizarea traiectoriilor organului terminal cuple cinematice inferioare, de translație sau de rotație, cum sunt cuplurile sanie-ghidaj, respectiv lagăr-fix. În consecință curbele organului terminal cele mai simple sunt realizate de roboți prin traiectorii rectilinii și circulare.

Ghidajele roboților au menirea de a conduce în timpul funcționării elemente mobile cum sunt mesele, săniile, suporții, întărite subansambluri, ele susțin aceste elemente și asigura precizia de deplasare a lor. În timpul deplasării elementului mobil, indiferent de forma traiectorie, trebuie să aibă un grad de libertate de translație sau de rotație, scop în care ghidajele sunt limitate la un număr de suprafețe numite suprafețe de ghidare. Ghidajele pot avea orice profil poligonal rezultat din combinarea unor suprafețe plane, curbe sau combinate mixt.

Profilele ghidajelor roboților definite de forma secțiunii într-un plan perpendicular pe direcția mișcării, în calculul ghidajelor pentru mișcarea rectilinie și respectiv într-un plan radial în cazul ghidajelor pentru mișcarea circulară; triunghiulare, plane și cilindrice.

2.4. Sisteme de acționare utilizate la construcția roboților mobili

Sistemele de acționare furnizează energia mecanică necesară acționării cuplelor cinematice ale sistemului mecanic.

Elementele esențiale și indispensabile ale unui sistem de acționare îl constituie motoarele care transformă un anumit tip de energie (electrică, hidraulică, pneumatică) în energie mecanică, la parametru necesari funcționării robotului cele mai importante sisteme utilizate la acționarea roboților sunt:

electrice;

hidraulice;

pneumatice;

Statisticile din domeniu acționării roboților industriali arată o dezvoltare a acționării electrice (15 minute 30% din totalul acționărilor) și hidraulice (circa 50 – 55 %), în dauna acționărilor pneumatice.

Acționărilor hibride au apărut recent ca o necesistate de a acumula avantajele celorlalte tipuri de acționări.

Alegerea modului de acționare depinde de natura agentului energetic disponibil și compatibil cu sistemul de fabricație în care robotul este integrat de natura operațiilor ce trebuie să fie executate, de capacitatea necesară de manipulare, de precizia de lucru impusă, de spațiul de lucru și de structura sistemului de fabricație. Ordinea de importanță a acestor criterii se va stabili de la caz la caz, ținând cont de cinematica ce va trebui impusă prin comandă, sistemului mecanic de acționare.

Motoarele de acționare ale roboților trebuie să dezvolte cupluri mari la gabarite minime, să aibă momente de inerție reduse, în scopul îmbunătățirii comportării dinamice și, implicit facilitatea poziționărilor, să fie compatibile cu sistemul de comandă și insensibile la perturbație. Acționarea cuplelor dinamice se poate face direct fie prin mecanisme de transmitere și transformare a parametrelor cinematici și dinamici (organul de transmitere, reductoare, amplificatoare de cuplu).

Așa cum se arăta mai sus, acționarea electrică tinde să devină cea mai răspândită variantă de acționare a roboților, datorită unor avantaje evidente cum ar fi:

disponibilitate energiei electrice în totalitatea mediilor în care acționează roboții, mai puțin mediile explozive;

fiabilitatea ridicată și gabaritul redus al motoarelor electrice realizate la ora actuală;

modalități simple de reglare a parametrilor cinematici și dinamici;

compatibilitatea cu sistemele de comandă, cu traductorii de măsură a deplasărilor și vitezei și cu sistemul senzorial;

prețurile moderate datorită faptului că elementele acționării sunt standardizate și execuate în producție de serie în întreprinderi specializate;

Principalul dezavantaj al acționărilor electrice constă în necesitatea utilizării unor mecanisme suplimentare pentru reglarea parametrilor cinematici și dinamici (viteze, forțe, momente) la valorile impuse de funcționare a robotului (transformatoare, convertizoare).

Acționarea electrică se realitzează cu ajutorul motoarelor electrice care transformă energia electrică, având ca parametrii caracteristic tensiunea electrică (U) și intensitatea (I), în energie mecanică cu parametrii caracteristici: cuplu (C), turație (n), forțe (F), viteze (V).

Motoarele electrice cele mai des utilizate în acționarea roboților pot fi clasificate și grupate astfel:

motoare electrice de curent continuu, care pot fi:

cu rotor disc;

cu rotor tip pahar;

cu comutare electronică (fără perii).

motoare electrice pas cu pas:

cu magneți permanenți;

cu reductanță variabilă;

hibride;

motoare electrice asincrone:

cu indus disc și intefer axial;

cu indus tip pahar și intrefer;

radial;

motoare electrice de inducție bifazate:

clasice;

cu rotor tip pahar;

liniare;

pas cu pas;

motoare electrice sincrone autopilotate.

Conform literaturii de specialitate, acționare hidraulică și electrohidraulică (hibridă), este utilizată pentru acționarea a 40 – 55 % dintre roboții existenți în prezent pe plan mondial datorită unor avantaje certe cum ar fi:

robustețe, puteri mari de acționare la greutăți reduse ale componentelor;

rigiditate ridicată cu timp de răspuns redus;

nu necesită mecanisme intermediare de transmitere și amplificare;

comanda nu este sensibilă la perturbații;

oferă largi posibilități de reglare a parametrilor de acționare (forțe, viteze, cupluri, turații);

o bună comportare în medii explozive, corozive sau cu praf.

Dezavantajele acționării hidraulice:

necesită grupuri hidraulice și elemente de comandă complicată și costisitoare;

necesită o etanșare pretențioasă a tuturor îmbinărilor în caz contrar randamentul și siguranța în funcționare fiind mult diminuate;

costul ridicat al fluidului de lucru. Acționarea hidraulică este utilizată în cazul manipulării unor sarcini mari, peste 250N.

Acțiunea pneumatică și pneumohidraulică este folosită în proporție de 20 – 25 % în construcția roboților industriali. Avantaje:

simplitate constructivă, elemente componente tipizate, prețuri de cost relativ scăzute;

viteze de deplasare mari;

comoditatea conectării la rețele de aer comprimat;

elasticitatea acționării și, în special, a strângerii, absolut indispensabile în anumite situații de manipulare.

Dezavantaje:

realizează forțe și momente reduse, datorită presiunilor de lucru reduse (4-8 bari);

șocuri la capete de cursă;

dificultatea poziționării precise și flexibile (poziționarea implică folosirea unor scheme și elemente de acționare pretențioase);

randamente reduse, fenomene de condensare și implicit, de coroziune, zgomot la evacuare.

Domenii de utilizare:

roboți simpli cu comandă secvențială de precizie redusă;

sarcini de manipulare mici la viteze ridicată;

medii explozive sau pericol de incendii.

Problemele specifice care apar la acționarea pneumatică sunt legate de poziționare, de reglare a vitezelor, de frânări și de blocare în poziția programată.

Toate aceste probleme apar ca urmare a rigidității scăzute (elasticității) aerului, a fluidității deosebite a acestuia și a presiunilor uzuale reduse (4-8 bari).

Acționările și comenzile hibride au fost concepute în scopul de a reuni și amplifica avantajele puterilor specifice mari (de exemplu ale acționărilor hidraulice) cu avantajele și disponibilitățile deosebite oferite de prelucrarea electronică (în mod frecvent) pneumatică și hidraulică a semnalelor de comandă.

În acest sens, în ultimii ani și-au făcut apariția o mare varietate de convertori electro-pneumo sau fluido-mecanic, care transformă semnalul de intrare electric sau fluidic, cu variații incluse (programate), în semnal mecanic, analog. Aceștia fac parte din structura diverselor servomecanisme, cu funcționare programabilă, care s-au impus în acționarea și comanda roboților industriali. Servomecanismele asigură sistemul de acționare precizii de poziționare caracteristic puterea/greutate și comportări dinamice deosebite, fiind folosite la ultimele tipuri de roboți construiți de firmele Unimation, Tralfa, Kawasaki.

Așa cum s-a observat majoritatea sistemelor de acționare sunt de tip hibrid, în sensul că în sistemul de acționare și în elementele de comandă ale acestora se vehiculau diferite tipuri de inerție: hidraulică și electrică, electrică – pneumatică și hidraulică. Se poate afirma că acționări pur hidraulice sau pneumatice sunt rar folosite în construcția roboților, singurul sistem de acționare și comandă care poate lucra independent fiind cel electric.

2.5. Sistemul senzorial al roboților mobili

Orice robot mobil este echipat cu "organe de simț", menite să furnizeze sistemului de comandă și programare informații, care să permită supravegherea propriei activități pe deoparte, și a mediului extern pe de altă parte. Din acest punct de vedere o primă clasificare a organelor de simț ale robotului este următoarea:

1. organe de simț interne – menite să ofere informații asupra funcționării celorlalte sisteme componente ale robotului său, altfel spus asupra mediului propriu (intern) al robotului.

2. organe de simț externe – menite să ofere informații despre mediul exterior robotului fix.

Informațiile furnizate de sistemul senzorial sunt prelucrate de către sistemul de comandă, având de cele mai multe ori ca rezultat transmiterea către sistemul de acționare a unor comenzi menite să corijeze traiectoria descrisă de către organul terminal, în vederea îndeplinirii sarcinilor de lucru, a evitării unor obstacole. Organele de simț ale robotului sunt constituite din traductoare și senzori, a căror varietate extrem de mare îngreunează încercările de clasificare. Dacă s-ar prelua din automatică noțiunea de stare a unui sistem, atunci se poate spune că traductoarele și senzorii dau informații despre starea unui robot care execută o sarcină dată.

Robotul lucrează într-un mediu marcat de o serie de procese fizice specifice. Astfel, gravitația influențează mișcarea tuturor roboților care funcționează pe pământ și are un efect neglijabil pentru roboții din navele spațiale. În multe aplicații mișcările robotului nu sunt libere, ele efectuându-se în contact cu alte obiecte. Contactul fizic generează forțe de reacțiune, care modifică starea robotului. Dacă mediul de lucru este parțial cunoscut, sau sarcina utilă de executat este parțial descrisă, atunci robotul, prin interacțiunea la distanță cu mediul, localizează și recunoaște obiectele, le calculează poziția și orientarea în vederea ocolirii sau manipulării.

Interacțiunile cu mediul pot fi de tip editară (volume din spațiul de lucru care nu pot fi atinse) și de tip control (robotul generează forțe prestabilite asupra obiectelor din mediu). Astfel, interacțiunile se traduc prin restricții de tip inegalitate sau egalitate.

În cazul ocolirii obstacolele, mișcarea robotului rămâne liberă și dacă se iau măsuri de siguranță (toate obiectele se consideră mărite), atunci nerespectarea inegalităților impuse poate să nu influențeze negativ acțiunea robotului. Astfel de interacțiuni robot – mediu mai poartă denumire de interacțiuni slabe.

În cel de al doilea caz când se generează forțe prestabilite între roboți și mediu, nerespectarea egalității prescrise poate avea urmări grave (deteriorarea robotului sau a obiectelor).

Localizarea obiectelor prin contact fizic impune restricții asupra vitezei de mișcare a structurilor mecanice de manipulare. Vitezele mari de lucru determină ca efectele dinamice ale unui contact fizic cu obstacolele manipulate să fie riscante. Folosind senzori de proximitate, se pot localiza și măsura distanțele până la corpurile mediului fără efectuarea contactului fizic. Pentru a evidenția existența obiectelor în mediu și distanța până la ele, corpurile trebuie să emită un semnal (către încă un punct) care să poată fi detectat. Acest lucru se poate întâmpla dacă corpul emite un semnal natural (sau a fost dotat cu emițător) sau dacă reflectă un semnal emis de robot spre el. Senzorii de proximitate dotat cu emițător și receptor se numesc activi, iar cei dotați numai cu receptori se numesc pasivi.

Un corp din mediu poate fi radioactiv (emite radiații α, p\ y), luminiscent (emite fotoni în spectrul vizibil), poate genera un câmp gravitațional, un câmp magnetic sau electromagnetic. Cu excepția unor aplicații particulare, radiațiile naturale emise de corpuri sunt de intensitate scăzute și nu pot fi ușor detectate. Printre radiațiile mai des folosite (clasificate în puncte de frecvență), pentru localizarea corpurilor se pot enumera:

ultra sunete (aproximativ 500 KHz);

unde electromagnetice de ordinul GHz, sau în ultraînalta frecvență (radar);

radiație luminoasă în infraroșu sau în spectrul vizibil;

alte tipuri de radiații;

Mai pot fi utilizați curenții Foucault, pentru detectarea obiectelor metalice, sau se poate măsura sarcina electrică a unui condensator format din suprafața corpului detectat și suprafața senzorului. Cel mai des se echipează obiectul cu senzori de proximitate activ care controlează în timp semnalul emis, de natură originală (neexistent în mediul de lucru) ca și pe cel recepționat.

Obținerea unei informații despre un parametru caracteristic mediului intern sau extern al robotului presupune realizarea a două funcții: sesizarea și apoi măsurarea mărimii acestuia.

Senzorii realizează doar funcția sesizării, furnizând un semnal electric ce este prelucrat ulterior de sistemul de comandă. Traductoarele execută atât funcția de sesizare (orice traductor are încorporat un senzor) cât și pe cea de măsurare, furnizând sistemului de comandă un semnal ce caracterizează cantitativ parametrul urmărit.

O clasificare generală a senzorilor și a traductoarelor a fi următoarea:

1. După natura măsurării în raport cu un sistem de coordonate;

absolută, atunci când valoarea măsurării este raportată la poziția inițială;

relativă sau incrementală, când valoarea măsurării este raportată la ultima poziție înregistrată.

2. După modul de măsurare:

prin contact direct cu elementul măsurat;

fără contact, prin măsurare la distanță.

3. După principiul constructiv:

mecanic;

electric;

optic;

4. După modul de indicare a mărimii măsurate:

analogic, cu o varieație continuă a mărimii măsurate;

numeric, cu o variație discretă, incrementală a mărimii măsurate;

5. După modul de amplasare:

în dispozitivul de prevențiune;

în sistemul de acționare preventiv;

la nivelul de interacțiune robot – mediul extern.

Calitatea traductoarelor și a senzorilor este decisă de câteva caracteristici definitorii pentru procesul de măsurare al diverselor mărimi cum ar fi:

rezoluția, care reprezintă cea mai mică mărime măsurabilă, ce corespunde incrementalul sau pasului, pentru traductoarele numerice;

precizia, care depinde de coeficientul de liniaritate al traductorului, sau altfel spus, constanța dintre rezultatul măsurării și mărimea de măsurat în plaja de funcționare;

justețea, sau diferența între valoarea indicată și cea efectivă a mărimii măsurate;

fidelitatea, care este determinată de variația valorilor măsurate pentru aceeași mărime în condiții identice.

Pentru funcționarea roboților inteligenți, spre deosebire de roboții obișnuiți, sunt necesare în mod clar mai multe informații decât cele furnizate de traductoare. Aceasta deoarece cu ajutorul acestor date se construiește modelul concret al comportării robotului sau succesiunea mișcării elementelor în conformitate cu problema de rezolvat. Roboții dotați cu inteligența artificială își găsesc aplicațiile în procesele tehnologice de montaj automat, la sudarea cu arc electric, în aplicațiile care necesită roboți mobili.

Senzorii reprezintă elementele instalației de comandă ale robotului industrial ce receptează nemijlocit elementele informative ale unui fenomen controlabil. Sistemul senzorial al roboților are funcțiile și principiile structural – operaționale similare sistemului senzorial uman.

Structura unui senzor și clasificarea acestora, sunt prezentate în fig. 2.8.

Fig. 2.8. Structura senzorului

Fig. 2.9. Clasificarea senzorilor

Sistemul senzorial funcțional reprezintă ansamblul senzorilor extremi ce echipează un robot, împreună cu echipamentul de prelucrare a datelor (calculator). El recepționează și prelucrează informațiile senzorilor și furnizează date pentru comanda robotului. Un sistem senzorial uzual, asistat de un microcalculator, asigură achiziția și prelucrarea informațiilor unui ansamblu de 16 senzori.

Prelucrarea datelor furnizate de sistemele senzoriale funcționale se face prin utilizarea unor algoritmi specifici cum ar fi: de detectare a unui obiect, apreciere a distanței, de recunoaștere a formelor, de prehensiune, de evitare a obstacolelor.

2.6 Programarea roboților

Funcționarea roboților se face în majoritatea cazurilor, în mod automat, fără intervenția operatorului uman, prin executarea unei succesiuni de operații cu caracteristic predefinită și încorporată în cadrul unui program. Programarea reprezintă furnizarea de către roboți, sub formă codificată, a tuturor caracteristicilor operațiilor ce urmează a fi executată de acesta cum ar fi: comenzi de pornire/oprire, succesiunea mișcărilor, momentele în care este necesară luarea unor decizii, coordonatele deplasării pe o traiectorie definită, timpul de repaus, etc.

Scopul principal al programării unui robot urmărește efectuarea de către acesta a unor acțiuni tehnologice prescrise, în anumite puncte pe o traiectorie bine definită. în funcție de complexitatea arhitecturii robotului, ca sistem, se deosebesc 4 procedee de programare, de la cel mai simplu, care permite programarea motoarelor de acționare, până la cel mai complex, care definește sarcina impusă spre realizarea în termen obiectiv:

procedeul prin învățare;

procedeul prin limbaje specializate;

procedeul prin limbaje de programare textuale;

procedeul care exploatează funcțiile robotice bazate pe un sistem CAD (Computer Aided Design).

Sistemul de comandă al robotului modern este realizat cu ajutorul unuia sau mai multor microprocesoare programate de constructori să opereze pe baza unor programe de comandă scrisă într-un cod mașină propriu. Din acest punct de vedere, cel mai simplu mod de programare a unui robot este scrierea programului direct în cod mașină și rularea lui de către unitatea centrală. Aceasta înseamnă că toate secvențele de mișcare și datele furnizate de către sistemul senzorial trebuie codate în datele binare recunoscute de către microprocesor, pentru a putea apoi fi prelucrate de către acesta cu ajutorul setului propriu de instrucțiuni.

Apare necesarea, deci traducerea programului scris de utilizator într-unul interpretabil de către sistemul de comandă și executat, acest lucru fiind realizabil pe mai multe căi:

fișierul program sursă este interpretat direct de către unitatea de comandă și executat;

fișierul program sursă este compilat într-un cod intermediar de nivel semantic scăzut, apoi este interpretat de către unitatea centrală.

Prin interpretor se înțelege un program special rezident în memoria unității de comandă, care decodează instrucțiunile programului utilizator și care pilotează diferitele acțiuni ale robotului. Marea majoritate a limbajelor de programare sunt de tip interpretat, în care programul însărcinat cu execuția tratează în mod secvențial fiecare instrucțiune înainte de a trece la următoarea.

Instrucțiunile oricărui limbaj de programare trebuie să conțină elemente care să descrie:

traiectoriile de realizat;

geometria pieselor;

informațiile primite de la sistemul senzorial;

structurarea programului (subprograme, salturi, cicluri);

operatori aritmetici;

În funcție de bogăția mijloacelor de expresie informatice, limbajele de programare se pot împărți în trei categorii:

limbaje sărace în mijloace informatice, în care structura programului este liniară, iar pozițiile de atins sunt precizate sub forma coordonatelor articulare, fie făcându-se referință la poziții memorate prin învățare;

limbajul de nivel înalt care conferă structuri de date predefinite clasice și specifice roboticii;

limbajul de programare pentru celule robotizate, care oferă mecanisme evoluate de evaluare a mediului înconjurător și permit supervizarea unui ansamblu de acțiuni, precum și cooperarea dintre acestea.

Capitolul 3 – Platforma mobilă a robotului SAWYER

Prin analogie cu locomoția în lumea vie și sistemele tehnice pot să se deplaseze într-un singur mediu sau la limita de separare dintre 2 medii. Astfel, sistemele mobile se pot deplasa:

prin târâre, imitând mișcările șerpilor, râmei, viermilor etc.

prin pășire (de regulă având 2, 4 sau 6 picioare);

prin sărituri repetate (având un picior);

prin intermediul roților (de regulă cu 2, 3 sau 4 roți);

pe șenile;

pe baza unor soluții hibride (roți și picioare și șenile);

Prezenta lucrare se încadrează în categoria sistemelor mobile care se deplasează prin intermediul șenilelor, și își propune să-și focalizeze atenția asupra modului de proiectare și realizare a unei platforme mobile, care să funcționeze în condiții de siguranță, să știe să detecteze și să ocolească obstacolele, să evite locurile periculoase, să fie capabil să detecteze și să se ghideze pe o anumită traiectorie concretizată de un traseu (bandă luminoasă), folosind contrastul a 2 culori.

Platforma mobilă, de tip minirobot mobil pe șenile, este prezentată în fig. 3.1.

Fig. 3.1.

3.1 Prezentarea constructivă a robotului

Sistemul poate fi structurat în 3 componente de bază:

– partea mecanică, reprezentată de platforma mobilă;

– partea electronică, reprezentată de schema electrică de acționare a servomotoarelor și schemele electrice ale sistemului senzorial de detecții;

– aplicația software, necesară procesării informațiilor primită de la sistemul senzorial și de comandă a servomotoarelor.

Platforma mobilă este formată dintr-un șasiu din duraluminiu pe care sunt montate 2 servomecanisme formate din micromotoare de curent continuu de tip Gwss 03N (Futaba-Taiwan), având incluse reductoare cu roți dințate drepte.

Platforma face parte din categoria miniroboților cu un gabarit aproximativ de 218x112x50 (mm) și o greutate de 1,2 (kg) cu acumulatorii închiși. Părțile componente ale platformei mobile (fig. 3.1.):

1. capac superior;

2. carcasă;

3. șenile;

4. Led-uri IR;

5. degajare în care s-a montat receptorul IR necesar detecției obstacolelor;

6. baterie 9 (V), necesară alimentării plăcii de bază a microcontrolerului și a mobilelor electronice ale sistemului senzorial;

7. servomotoare;

8. circuit electronic pentru prelucrarea informațiilor furnizate de senzori;

9. circuitul electronic al plăcii de bază;

10. microcontroler;

11. modul de telecomandă și modulul de încărcare a acumulatorilor servomotoare;

12. modulul comparativ al senzorilor pentru detecția liniei;

13. acumulatori necesari alimentării servomotoarelor;

14. roata directoare;

15. receptorul IR TSOP1740;

16. led-uri pentru indicația diverselor stări ale sistemului mobil;

17. platforma reglabilă pentru senzori de detecția liniei.

Fig. 3.2.

Sistemul de propulsie mecanic este realizat cu ajutorul a 2 servomotoare de tip GWS-S03N, cu următoarele caracteristici tehnice (de catalog):

– dimensiuni (LxWxH): 35,6x20x35,6 mm;

– greutate: 0,041 kg;

– timpul corespunzător rotirii cu 60 de grade: 0,23 s;

– momentul de torsiune 3,4 kg cm;

– tensiune de alimentare 4,8 v.

Servomotoarele au fost amplasate în interiorul sașiului din bachelită, în partea din spate a acestuia, fiind fixată prin intermediul a 4 șuruburi. Partea de ghidare a platformei mobile este constituită dintr-un modul de prelucrare al informațiilor provenite de la un număr de 3 senzori amplasați sub carcasă. Aceștia sunt dispuși fizic pe suprafața liniei, sub forma unui triunghi echilateral.

Partea electronică – constă din proiectarea și realizarea plăcii de bază (fig. 3.5.) pe care a fost dispus microcontrolerul, oscilatorul cu cristal de cuarț pe frecvența de 4 MHz, switch-ul de reset al watchdog timer-ului, cuplele de legătură și servomotoarele, plăcile de bază ale comparatoarelor de tensiune care preiau indicațiile senzorilor de detecție ai liniei și detecție al obiectelor (fig. 3.6.), cablajele de legătură cu modulul de telecomandă start/stop, cât și modulului stabilizator de tensiune pentru încărcarea acumulatorului necesar alimentării servomotoarelor.

Fig. 3.3.

Senzorii pentru detecția obiectelor de pe traiectoria de deplasare a platformei mobile (receptorul IR și cele 2 led-uri) au fost dispuși în partea frontală al carcasei pentru a acoperi un câmp vizual cât mai mare. Domeniul de acoperire al acestuia (suprafața activă) este cuprins de un arc de cerc cu un unghi la centru de aproximativ 90 de grade.

Modalitatea de funcționare se bazează pe capacitatea de reflexie a luminii de către suprafețe de culori diferite, cu o anumită lungime de undă. S-a ales pentru linie culoarea albă, cunoscut fiind faptul că această culoare are proprietăți reduse de absorbție al luminii, reflexia acesteia fiind în proporție de 90%, valoare determinată experimentată. Pentru fundal (suprafața pe care se trasează linia), s-a adoptat culoarea gri mat, în momentul în care minirobotul se deplasează pe traiectoria impusă (linie), semnalele luminoase emise de led-uri sunt reflectate și captate de către detectorii de IR al căror rezistență electrică este mare în lipsa luminii, și scade în funcție de cantitatea de lumină recepționată. Acest semnal electric este transmis unul CI comparator care, în lipsa informațiilor de la senzori afișează la ieșire un semnal logic 1.

În momentul în care rezistența fotodetectorului scade (este luminat), tensiunea pe intrarea inversoare a comparatorului crește, fapt ce determină scăderea tensiunii pe ieșirea acestuia, care devine 0 logic.

Această modificare a tensiunii este sesizată de către microcontroler, acesta luând decizia de comandă a servomotoarelor, în conformitate cu un altgoritm stabilit prin software.

Fig. 3.4.

Fig. 3.5. Schema electrică a plăcii de bază

Folosind un software specializat pentru realizarea schemelor electrice și circuitele imprimate (Express PCB) obținem cablajele din figur 3.6.

Principiul de lucru cu această folie se bazează pe principiul de funcționare al imprimantei laser. În această imprimantă există un tambur fotosensibil din seleniu, pe care raza laser „desenează" urmat de imprimare. Acest tambur se impregnează apoi cu tener-ul, care aderă numai la zonele desenate (electrizate) anterior de raza laser. Tamburul rotindu-se, împrăștie toner-ul pe hârtie, realizându-se astfel fixarea. În cazul acestui tip de folie, datorită structurii lui chimice superficiale, toner-ul de pe tamburul de seleniu se transpune pe folie, dar nu definitiv. În momentul când punem folia deja imprimată peste cablajul cu partea cuprată curățată, putem transpune toner-ul pe folia de cablaj cu ajutorul unui călcător de haine încins.

Fig. 3.6. Cablajul imprimat al modului comparator al senzorilor pentru detecția liniei

Fig. 3.7. Schema electrică a sursei de încărcare a acumulatorilor

Circuitul electric din fig. 3.7. lucrează în regim de sursă de curent constant, fiind necesar încărcării celor 4 acumulatori NiCd utilizați la acționarea servomotoarelor.

Dioda înseriată cu pinul 3 al circuitului integrat stabilizator de tensiune are rolul de a prevenii conectarea inversă a polarității sursei de alimentare.

Rezistorul Rl a fost dimensionat astfel încât sursa să furnizeze la ieșire un curent constant de 240 mA necesar încărcării celor 4 acumulatori într-un interval de timp de aproximativ de 12 ore. Factorul de dimensionare al rezistenței:

(3.1.)

(3.2.)

S-a adoptat o rezistență cu valoarea R = 56.

Calculul puterii de disipație:

(3.3.)

Se aproximează P ≈ 2 [W].

3.2 Schema cinematică a platformei

Reprezentarea schemei cinematice a platformei mobile – inclusiv lagărurile:

Fig. 3.8. Schema cinematic a platformei mobile

Reprezentarea schemei bloc a sistemului de reglare cu servomecanism, cu reductor inclus pentru platforma mobilă:

Fig. 3.9. Schema bloc a sistemului de reglare

Capitolul 4 – Calculul organologic al robotului colaborativ SAWYER

4.1 Rostogolirea roții pe un plan orizontal

Reducând cilindrul la secțiunea sa dreaptă, ne vom ocupa de mișcarea discului circular, greu, omogen, de centru O’ și de rază R, în planul vertical xOy (fig. 4.1.), discul fiind obligat a rămâne tangent necontenit la orizontala Ox. Vom presupune că în afară de greutatea proprie G și de reacțiunea normală N în punctul de sprijin A mai lucrează asupra discului un sistem de forțe situate în planul discului, forțe care se pot reduce la un torsor în O’ exprimat printr-o forță aplicată în O`, de proiecție Fx, Fy pe axele de coordonate Ox, Oy, și la un cuplu de moment normal la planul xOy. Vom presupune că sub acțiunea acestor forțe, discul capătă viteza orizontală aplicată în centrul O’, precum și o rotație în planul său, în jurul centrului O’, de viteză unghiulară . Vom indica în figură prin săgețile curbilinii σ și σ’ sensul pozitiv al momentului respectiv al rotației discului de viteză unghiulară . În punctul A de tangență discul are tendința de aluneca pe Ox. Vom nota cu ν’ viteza de alunecare a punctului A aparținând discului pe axa Ox. Între mărimile ν, ω și υ’ există o relație care se poate stabili imediat dacă observăm că viteza υ’ a punctului A (viteza absolută) poate fi considerată ca fiind rezultanta dintre viteza de rotație în jurul centrului O’ (viteza de transport). Vom avea deci:

(4.1.)

Fig. 4.1.

Viteza de alunecare ν’ sau numai tendința punctului A de a aluneca pe Ox va da naștere unei forțe de frecare Ф, aplicată în punctul de contact A, așezată în lungul axei Ox și dirijată în invers vitezei ν’ (sau tendinței de alunecare în cazul în care ν’ este nul). Presupunem semnul lui Ф inclus în simbolul Ф.

Vom presupune că rostogolirea sau chiar numai tendința de rostogolire a discului pe axa Ox dă naștere frecării de rostogolire de moment C, a cărei valoare maximă (în cazul rostogolirii) este egală cu sN, s fiind coeficientul de frecare de rostogolire dat de relația (4.1.).

Teorema mișcării centrului de greutate O’ al discului, proiectată pe cele două axe de coordonate ne va da:

(4.2.)

(4.3)

iar teorema momentului cinetic față de centrul de greutate O’ al discului se va exprima prin relația:

(4.4.)

unde am notat cu J momentul de inerție al discului față de centrul O’ și cu M’ diferența dintre momentul M al cuplului motor și frecarea de rostogolire C,

(4.5.)

(4.6.)

Ecuația (4.3.) ne va da expresia reacțiunii normale N:

(4.7.)

Mărimea N va fi pozitivă dacă presupunem G > Fy.

Vom mai presupune în cele ce urmează că torsorul este constant, adică mărimile M, Fx, Fy sunt constante.

4.1.1 Cazul rostogolirii fără alunecare

Ne propunem a studia posibilitatea unei rostogoliri a discului fără alunecare.

Notăm cu υ0, ω0 valorile inițiale (t = 0) ale mărimilor υ, ω respective. Vom presupune că aceste mărimi sunt pozitive și că între ele există relația:

(4.8.)

impusă de condiția rostogolirii fără alunecare. Vom arăta că în acest caz este posibilă în anumite condiții o rostogolire fără alunecare, adică o relație permanentă

(4.9.)

între υ și ω. Relația (4.6.) ne va da deci:

iar prin integrare:

(4.10.)

Rezultă pentru υ dat de (4.9.) și (4.8.) expresia:

(4.11.)

Se poate verifica lesne că expresiile (4.11.) și (4.12.) ale mărimilor υ și ω verifică ecuațiile (4.2.) și (4.4.) și că ele sunt valabile și în cazul particular υ0 = ω0 = 0 cu condiția de a lua pentru forța de frecare Ф valoarea:

(4.12.)

Însă pentru această expresie a lui Ф să fie admisibilă, ea nu trebuie să depășească în valoare absolută mărimea μN, μ fiind coeficientul de frecare de alunecare. Deci pentru ca mișcarea să fie posibilă, trebuie să avem:

(4.13.)

ceea ce se mai poate pune sub forma:

(4.14.)

unde am notat:

(4.15.)

În cazul în care mărimea M’ = (M – C) îndeplinește condiția (4.14.), soluția problemei este dată de formulele (4.10.) și (4.11.); discul are o rostogolire fără alunecare, adică o rostogolire pură.

Din formlele (4.10.) și (4.11.) deducem că dacă mărimea M’ satisface și relația:

(4.16.)

mărimile υ și ω rămân tot timpul pozitive, fără a se anula vreodată și că deci mișcarea de rostogolire va dura la infinit. Viteza de rotație ω va crește proporțional cu timpul sau, în cazul semnului egal în (4.16.), se va menține constantă. Dacă însă în loc de relația (4.16.) am avea relația:

(4.17.)

atunci mișcarea de rostogolire ar dura numai până în momentul t = t1 dat de:

(4.18.)

În acel moment atât υ, cât și ω se anulează, deci discul devine imobil.

Pentru t > t1 va trebui să revenim la formulele (4.10.) și (4.11.) în care vom presupune că timpul este socotit din momentul t = t1, iar vitezele inițiale υ0, ω0 sunt ambele nule (un caz particular al celui studiat). Rezultă că vom avea tot timpul o rostogolire în sens negativ (ω < 0), dacă M’ + RFx < 0, unde vom fi înlocuit pe C prin – C(M’ = M – C). În cazul:

(4.17’.)

va rămâne în stare de imobilitate tot timpul t > t1.

În concluzie, dacă condiția (4.14.) este îndeplinită, discul se va rostogoli tot timpul fără alunecare, și anume, în cazul M – C + RFx > 0, în sens pozitiv, uniform accelerat, iar în cazul M – C + RFx < 0 rostogolirea va fi uniformă întârziată, trecând prin zero și schimbându-și sensul. Cazul particular (4.17’.) se deduce imediat.

Aceste consecințe le-am adus în ipoteza că mărimea M’ îndeplinește condiția (4.14.). Acum se pune întrebarea: ce se va întâmpla în cazul când condiția (4.14.) nu este îndeplinită? Cu alte cuvinte, care va fi mișcarea discului când vom avea:

(4.19.)

În acest caz, Ф neputând să depășească valoarea maximă μN, va lua permanent această valoare limită. Mișcarea discului nu va mai putea avea loc fără alunecare. Studiul unei mișcări de felul acesta îl vom da în continuare.

4.1.2 Rostogolirea cu alunecare

Vom începe prin a studia cazul menționat (4.19.). Vom continua deci a presupune υ0 = 0, însă luând:

(4.20.)

va trebui să admitem alunecare, adică va trebui să presupunem Ф constant. În cazul acesta, ecuațiile (4.6.), (4.11.) se vor integra și vor da:

(4.21.)

Admițând o viteză υ’ de alunecare a punctului A, considerat ca punct aparținând discului, față de axa Ox, vom avea:

(4.22.)

deci:

(4.23.)

cu notațiile:

(4.24.)

semnul dublu din (4.23.) corespunzând cu acela din (4.21.) din expresia frecării de alunecare Ф. Însă Ф are sens opus vitezei υ’ încât va trebui să avem , unde am notat și expresiile din dreapta relației (4.23.) în care luăm semnul + respectiv semnul –. Deducem că în cazul M’ < M1 – M2 vom avea o alunecare cu viteză υ’ negativă tot timpul, iar în cazul M’ > M1 + M2 vom avea o alunecare cu viteza υ’ pozitivă tot timpul. Rostogolirea corespunzătoare va fi dată de expresia lui ω din (4.21.), care în general va fi diferită de zero.

Aceste considerații împreună cu acelea de la cazul anterior rezolvă integral cazul .

Să trecem acum la studiul cazului . Vom presupune deci că între vitezele inițiale există relația generală:

(4.25.)

care implică mișcarea de alunecare de viteză a punctului A al discului de pe axa Ox. Vom presupune , ceea ce nu înseamnă o particularizare, dacă lăsăm posibilitatea ca υ0 să fie pozitiv, negativ sau nul.

Forța de frecare Ф va avea sensul opus lui . Valoarea ei absolută va fi egală cu μN, cât timp există o alunecare. În consecință, presupunând va trebui să luăm pe Ф constant și egal cu μN în valoare absolută cât timp υ’ nu-și schimbă sensul. Cum υ’ este o funcție continuă de timp, ea va trebui să aibă același semn cu , cel puțin pentru valori mici ale lui t.

Integrând, ca mai sus, ecuațiile (4.2.), (4.4.) în raport cu timpul, vom obține ecuațiile (4.21.) din care vom deduce pentru υ’ expresia:

(4.26.)

în locul relației (4.23.). Notațiile sunt acelea din (4.24.), iar dublul semn legat în același fel de dublul semn din expresia lui Ф din (4.21.).

Formula (4.26.) se descompune deci în două:

(4.27.)

Cazul I. În acest caz vom utiliza prima formulă din (4.27.). Deci, dacă mărimea – M’ + M1 – M2 nu este negativă, adică dacă M’ îndeplinește condiția M’ ≤ M1 – M2, atunci υ’ rămâne tot timpul pozitiv. Dacă însă mărimea – M’ + M1 – M2 este negativă adică dacă avem M’ > M1 – M2. Regăsim cazul studiat în paragraful precedent, luând drept moment inițial, momentul t = t2. În consecință, dacă M’ îndeplinește condițiile (4.26.) și (4.28.), adică dacă M’ nu depășește valoarea M1 + M2 și nu este mai mic decât valoarea – RFx, vom avea pentru t > t2 o rostogolire pură tot timpul; dacă însă M’ nu depășește valoarea M1 + M2 însă este mai decât – RFx, atunci rostogolirea durează până în momentul t2 + t1 dat de relațiile (4.28.) și (4.18.), când discul se oprește υ = ω = 0 pentru ca apoi să ia o rotație negativă, deoarece expresia M’ + RFx este negativă.

Dacă însă M’ nu îndeplinește condiția (4.26.), adică dacă avem M’ > M1 + M2, atunci după cum am văzut la începutul acestui paragraf, pentru t > t2 vom avea o alunecare cu viteza υ’ negativă tot timpul, însoțită de o rostogolire.

Cazul II. Cazul . În acest caz ne vom folosi de cea de-a doua formulă din (4.28.). Deci dacă mărimea – M’ + M1 – M2 nu este pozitivă, adică dacă M’ îndeplinește condiția M’ ≤ M1 + M2 atunci υ’ va rămâne tot timpul negativ. Dacă însă mărimea – M’ + M1 + M2 este pozitivă, adică dacă avem M’ < M1 + M2, atunci υ’ se va anula la momentul dat de expresia:

(4.29.)

când vom cădea din nou peste cazul studiat mai înainte. Discuția este similară aceleia făcute la cazul I .

Toată această discuție, poate fi rezumată în următoarea tabelă, ordonată după valorile pe care le-ar putea avea M’, la început (r) + (a), apoi (r):

Am însemnat cu (r) rostogolirea pură (fără alunecare), cu (r) + (a) rostogolire cu alunecare.

Observație. În cazul în care M’ este cuprins în intervalul [M1 – M2, M1 + M2] și am văzut că la momentul t = t2 sau (după cum este pozitiv sau negativ) viteza de alunecare υ’ se anulează și forța de frecare Ф încetează de a mai avea valoarea ± μN, ci a lua valoarea dată de (4.24.). Avem astfel în general o discontinuitate în valoarea lui Ф, ceea ce va repercuta printr-o discontinuitate în valorile derivatelor date de ecuațiile generale de mișcare (4.2.) și (4.4.); valorile lui υ și ω rămân însă continue.

4.2 Elemente de calcul cinematic ale roboților mobili

Modelarea sistemului mecanic articulat al unui robot industrial este o etapă de maximă importanță pe parcursul procesului care pornește de la concepția robotului și se finalizează cu implementarea sa industrială. Scopul acestei etape este acela de a furniza o serie de modele reprezentată prin ecuații matematice, care să caracterizeze fie din punct de vedere al pozițiilor (modelul geometric), fie al vitezelor (modelul cinematic), fie al forțelor care îl solicită (modelul dinamic), robotul studiat.

Punerea la punct al sistemului de comandă, alegerea elementelor de structură mecanică, a transmisiilor și a motoarelor de acționare, studiul performațelor robotului sunt de neconceput fără utilizarea lor. Primele două modele (geometric și cinematic) sunt cel mai des utilizate pentru calculul transformărilor de coordonate permițând programarea robotului în spațiul operațional de lucru și obținerea coordonatelor articulare corespunzătoare, comenzii motoarelor de acționare.

Deoarece sistemul de comandă al robotului prelucrează datele sub formă numerică, este necesar să se facă o asociere între pozițiile în spațiu și deplasările corpurilor solide din care este alcătuit robotul și anume valori numerice. Dacă se consideră un corp solid, nedeformabil, liber în spațiu, acestuia i se poate asocia un sistem de referință ortogonal Rj cu originea în punctul Oj, de versori xj, yj, zj. Problema care se pune este aceea de a defini sistemul de referință Rj în raport cu un alt sistem de referință ortogonal Rj, cu originea Oi și de versori xi, yi, zi denumit și sistem de referință de bază. Pentru aceasta se definesc două categorii de parametrii, care, în robotică sunt numiți și coordonate operaționale și anume:

– trei parametrii care definesc poziția originii Oj în raport cu originea sistemului de referință de bază, denumiți parametri sau coordonate de poziții;

– trei parametri care definesc orientarea axelor sistemului de referință Rj în raport cu axele sistemului de bază, denumiți și coordonate de orientare. Parametrii de poziție nu sunt altceva decât coordonatele originii Oj exprimate în sistemul de referință de bază și în funcție de structura mecanică. Aceștia pot fii coordonate carteziene (X, Y, Z) cilindrice (R, a, J) sau sferice ( a, p, R ), fig. 2.5. a, b, c.

Acești parametrii de poziție permit definirea vectorului de poziție OiOj și a unei

matrici coloană Py denumită și matrice de poziție a sistemului de referință în raport cu Rj, care au următoarele expresii:

(4.30.)

Fig. 4.2. Parametri de poziție pentru roboții industriali

Orientarea axelor sistemului de referință Rj în raport cu cele ale sistemului de bază poate fi definită cu ajutorul mai multor categorii de parametrii dintre care cei mai utilizați sunt:

– cosinusurile directoare, care permit exprimarea versorilor axelor Xj, Yj, Zj în raport cu versorii axelor sistemului de bază XjYjZj cu ajutorul relațiilor următoare, sub formă vectorială și matriceală, fig. 4.3.

Fig. 4.3. Orientarea axelor sistemului de referință

– unghiurile lui Euler, care permit definirea direcțiilor axelor sistemului de referință RJ, prin 3 rotații succesive efectuate astfel: prima în jurul unei axe al sistemului de referință RI (ZI), următoarele două în jurul unei axe ale noilor sisteme de referință obținute după fiecare rotație, fig. 2.7., originile celor 2 repere fiind confundate:

Fig. 4.4. Unghiurile lui Euler

• O primă rotație de unghi Ψ în jurul axei Zj, în urma căreia se obține un nou sistem de referință Ri (Rot Ψ, Zi); a doua rotație de unghi θ în jurul axei X, care conduce la obținerea unui nou sistem de referință R2 (Rot θ, X);

• A treia rotație de unghi θ în jurul axei Z2 în urma căreia se obține sistemul de referință Rj căutat (Rot θ, Z2).

– unghiurile lui Bryant, mai puțin utilizate decât unghiurile Euler permit definirea orientării axelor sistemului de referință Rj pornind de la cele ale lui Ri cu ajutorul a trei rotații succesive exprimate simplificat astfel:

(4.31.)

Dacă se consideră cele două sisteme de referință R, și Rj anterior descrise și i se impune Rj o transformare complexă constând din translații/rotații care să-l aducă în poziția confundată Rj atunci această transformare (trecere) poate fi descrisă cu ajutorul unei matrici de tip 4×4 denumită matrice de trecere omogenă. Aceasta se obține prin asocierea matricei de poziției Pj și a matricei de trecere (rotație) Ay, care definesc complet sistemul de referință Rj în raport cu Ri. Matricea de trecere omogenă are următoarea expresie:

(4.32.)

Inversa matricei de trecere omogenă între două sisteme de referință RIJ definește transformarea inversă între cele 2 sisteme de referință.

Dacă se consideră transformările consecutive între sistemele de referință matricea de trecere omogenă se obține ca produsul celor 2 matrici de trecere succesivă: T =T – T.

Dacă se consideră un corp solid liber în spațiu, atunci orice deplasare a sa va fi definită prin deplasarea sistemului de referință asociat acestuia. Această deplasare, este reprezentată prin matricea omogenă de trecere, care definește noua poziție atinsă de sistemul de referință în raport cu cea inițială.

Dacă se noteză cu Rl și R2 pozițiile inițiale și finale, atunci matricele de trecere corespunzătoare diferitelor tipuri de deplasări sunt următoarele:

– deplasare nulă – cele două sisteme de referință fiind confundate, matricea omogenă de trecere va fi matricea unitate:

(4.33.)

– translație pură de valoare d după una din axele sistemului de referință inițial, fig. 2.8:

(4.34.)

Fig. 4.5. Translație pură

– rotație pură de unghi α în jurul unei axe a sistemului de referință inițial, fig. 4.6.

(4.35.)

Fig. 4.6. Rotație pură

– translație și rotație după aceeași axă a sistemului de referință inițial, fig. 2.10.

(4.36.)

Fig. 4.7. Translație și rotație. Translație de valoare d după axă oarecare U

(4.37.)

– compunerea unor mișcări de translație și de rotație, fig. 4.8.

(4.38.)

Fig. 4.8. Compunere de mișcări

Modelul geometric al unui robot industrial este un sistem de ecuații matematice care permit exprimarea coordonatelor operaționale Xi în funcție de cele articulare Oj, exprimate prin ecuația:

X = F(θ) (4.39.)

unde X și θ sunt doi vectori ale căror componente sunt coordonatele operaționale și respectiv articulare:

(4.40.)

Cu ajutorul modelului geometric direct este necesar să se precizeze poziția și orientarea sistemului de referință al organului terminal în raport cu sistemul de referință de bază al robotului atunci când se cunosc coordonatele sale articulare.

Pentru a determina modelul geometric direct este necesar să se precizeze poziția și orientarea sistemului de referință al organului terminal în raport cu sistemul de bază. Pentru aceasta există mai multe metode dintre care cele mai utilizate:

Matricile omogene de trecere;

Parametrii Denavit și Hartenberg.

Modelul geometric invers este prezentat prin sistemul de ecuații literale care explică coordonatele articulare în funcție de cele operaționale, aceasta permite găsirea configurației articulare a robotului, care plasează organul terminal la o anumită situație spațială dorită, caracterizată prin coordonatele operaționale. Există mai multe metode de găsire a modelului geometric invers, și anume:

raționamente geometrice – utilizând metoda proiecțiilor și calculul vectorial;

metode analitice – folosind ecuațiile furnizate de modelul geometric direct;

metode numerice – pentru rezolvarea sistemelor de ecuații neliniare.

Principala problema care apare în timpul calculului modelului geometric invers este aceea a interpretării soluției pentru coordonatele articulare, în vederea obținerii unei soluții unice, care este influențată de mai mulți factori, unul dintre aceștia fiind soluția aleasă de constructori pentru realizarea fizică a cuplelor cinematice conducătoare. Astfel, dacă teoretic orice cuplă cinematică de rotație permite efectuarea unei rotații de 360 de grade, în practică, datorită unei constrângeri impusă de constructia mecanică a robotului, această valoare este realizabilă doar pentru prima articulație, în timp ce pentru celelalte are valori mult mai mici.

Un alt factor de care trebuie să se țină cont este volumul de lucru teoretic accesibil robotului. Dacă punctul de origine M al sistemului de referință atașat organului terminal este situat în afara acestuia, atunci el nu poate fi atins și modelul geometric direct nu poate fi inversat, deci nu avem o soluție realizabilă fizic pentru modelul geometric invers.

4.3 Elemente de calcul ale robotului colaborativ SAWYER

Pentru determinarea cuplului la arborele servomotorului în regim stabilizat, este necesară determinarea raportului de transmitere al reductorului cu roți dințate și a forței axiale totale FA.

4.3.1 Calculul reductorului cu roți dințate

Se adoptă roțile dințate Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7, Z8 cu caracteristici geometrice identice astfel încât să angreneze corect.

Numărul de dinți pentru fiecare din cele 8 roți este prezentat în tabelul 4.1.

Tabel 4.1.

Rapoartele de transmitere pe cele patru grupe de roți dințate, sunt date de relațiile:

(4.41.)

(4.42.)

(4.43.)

(4.44.)

Raportul de transmitere total, este dat de relația:

(4.45.)

4.3.2 Determinarea forței axiale

Datorită spectrului larg de aplicații în care se poate utiliza acest tip de platformă mobilă (atât aplicații industriale, cât și non industriale), trebuie ținut cont de faptul că servomotoarele trebuie să dezvolte un moment de torsiune suficient de mare pentru a învinge forțele rezistente datorată unor suprafețe neregulate cum ar fi: denivelări, obiecte de mici dimensiuni care se pot interpune pe traiectoria de deplasare și care nu sunt detectate de sistemul senzorial, rampe cu un anumit unghi de înclinație.

Se consideră faptul că platforma mobilă se deplasează pe un plan înclinat cu un unghi α = 20°.

Cunoscând momentul forței axiale MFA și raportul de transmitere ir, se poate determina momentul motorului:

(4.55.)

Pentru ca motorul să poată acționa mecanismul din fig. 3.4, se impune ca puterea motorului să fie mai mare decât puterea necesară pentru a pune în mișcare platforma adică:

și (4.56.)

(4.57.)

(4.58.)

Verificând cu datele tehnice de catalog ale motorului, avem:

Mm catalog = 2,7 kg•cm. De unde rezultă: Mm < Mm catalog (4.59.)

4.3.3 Determinarea vitezei de deplasare

Conform datelor de catalog pentru servomotoarele GWS S03N, o rotație cu 60 de grade se realizează în 0,23 sec, ceea ce înseamnă că o rotație completă (360°) va fi realizată în 1,38 sec.

De aici putem determina turația n a motorului:

n = 0,72 [rot/s] (4.60.)

D = 52 [mm]

Cunoscând diametrul roții motoare se poate determina lungimea cercului descris de aceasta:

L = 2πR = πD (4.61.)

Capitolul 5 – Sistemul de control al platformei mobile

Sistemul de control al platformei mobile constă din interfețele de emisie/recepție în infraroșu de detecție a obiectelor și a celor de ghidare pe banda luminiscentă, ale căror semnale electrice sunt procesate de un microcontroler PIC16F628. Acesta la rândul său, pe baza instrucțiunilor software înscrise în memoria sa, acționează cele două servomotoare folosite la propulsia mecanică a platformei mobile.

5.1 Interfața de recepție în infraroșu

Interfața de recepție a datelor în infraroșu a fost concepută și realizată cu ajutorul circuitului specializat TSOP1740. Acest circuit este un receptor/demodulator de semnal infraroșu modulat la frecvența de 40KHz, frecvență utilizată cu precădere în industria audio-video.

Circuitul TSOP1740 are integrat mai multe blocuri cu diferite puncte: recepție IR, amplificarea, filtrare, demobilare (fig. 5.1.).

Fig. 5.1. Schema internă a circuitului TSOP1740

Capsula acestui circuit prezintă trei terminale, alimentare (Vs), ieșire (out) si masa (GND). Conectarea la microcontroler se face pe un singur fir, celelalte terminale fiind cuplate la sursa de alimentare și la masă, corespunzător fig. 5.2.

Fig. 5.2. Conectarea la microcontroller a circuitului TSOP1740

Acestui tip de conexiune ii corespunde modul de comunicație serial, deoarece și semnalul preluat de receptorul de infraroșu este serial. Caracteristicile semnalului de intrare și al celui de ieșire sunt prezentate în fig. 5.3.

Fig. 5.3. Caracteristicile semnalelor intrare/ieșire pentru circuitul TSOP1740

Pe lângă modulație de 40 KHz a semnalului în infraroșu, pentru a comunica avem nevoie de un protocol. Soluția adoptată în acest caz a fost protocolul RC5 dezvoltat de firma Phillips, protocol pentru care există o documentație completă și este răspândit pe arie largă în cadrul aparaturii audio-video de înaltă fidelitate. Adoptarea acestui protocal face posibilă comunicația platformei cu sistemele audio-video din mediul imediat adiascent.

5.2 Interfața de emisie pe infrarosu

Interfața de emisie pe infraroșu este realizată cu ajutorul a două Led-uri specializată pentru emisia în domeniul de undă infraroșu, fig. 5.4. Protocolul RC5 este format dintr-un șir de 14 biți (tabelul 5.1.). Fiecare cod transmis este format din 5 biți pe adresă (sau sistem) și 6 biți de comandă se permite astfel controlul a 32 sisteme (cum ar fi TV, CD, Video etc) și 64 de comenzi pe sistem.

Fig. 5.4. Inteerfața de emisie în infraroșu

Tabel 5.1.

Unde:

S1, S2 – biți de start (întotdeauna 1 logic)

T – Toggle Bit

A4 – A0 – biți Adresă (sau sistem);

C5 – C0-biți Comandă.

Pentru a completa stadardul RC5 în sensul modificării numărului de comenzi la 128 per dispozitiv în ultima perioadă de timp s-a mai adăugat încă un bit la biții de comandă. Noul cod trebuia să fie compatibil cu cel vechi RC5 astfel că nr de biți a fost păstrat (14 biți), iar bitul S2 a fost înlocuit cu C6. Rezultatul acestei modificări poartă numele de protocol RC5 estins. Bitul T se schimbă ori decâte ori se transmite o nouă comandă. Funcpa primară a acestui bit este de a detecta o apăsare succesivă a celeași taste deoarece codul este transmis atâta timp cât tasta de pe telecomandă este apăsată. O eliberare scurtă a tastei ar trece altfel neobservat. Modulația din RC-5 este de tip Manchester, are întotdeauna o tranziție în mijlocul bitului ca în fig. 5.5.

Fig. 5.5. Modulație de tip Manchester

Duty cycle-ul (timpul cât semnalul este pe 1 logic) semnalului modular este de 25%. Există dispozitive integrate cu funcții hard, ca PCA8521 care au acel Duty cycle programabil între 25 – 33%.

Dacă calculăm media timpului de funcționare (Duty cycle) pentru Ledu-ul IR obținem: 25% x 50% x 14/64 = 2,7%

Valoarea de 50% este duty cycle-ul specific modulației Manchester. Raportul 14/64 reprezintă numărul de biți per perioadă completă de repetare. Astfel dacă avem un curent maxim de lOOmA pe led va rezulta un curent mediu consumat în timpul transmisiei de 2,7 mA.

Modulația se realizează din modul software prin programarea timer-ului 1 de 16 biți, să genereze un semnal dreptunghiular cu factor de umplere de 25%. Ledul de IR este conectat la ieșirea CCP1 a microcontroler-ului, adică la pinul port B3 și la ieșirea INT respectiv port BO.

5.3 Interfața senzorului optic pe IR pentru detecția liniei

Senzorul optic este realizat pe principiul reflecției undelor IR de pe o suprafață deschisă la culoare. Senzorul de lumină este capabil să detecteze o schimbare de culoare prin faptul că pentru o culoare închisă reflexia undelor generate de led-ul IR este mai slabă decât în cazul în care undele IR întâlnesc o suprafață deschisă la culoare. S-a constatat experimental că în cazul în care nu se folosește o modulație a semnalului IR emis de Led asociat cu un detector specializat de tipul TSOP1740 pot apărea interferențe cu lumina din mediul exetem. Această problemă este minimizată în cazul în care senzorul este amplasat Ia câțiva mm de suprafață ce trebuie detectată și eventual senzorul este plasat sub carcasa platformei mobile fig. 5.6.

Fig. 5.6. Mod de amplasare a senzorilor pentru detecția liniei

Folosirea unii senzor analogic de acest tip este posibilă fără un convertor analog–digital datorită folosirii unui software inteligent.

Fig. 5.7. Schema electrică a senzorului optic pentru detecția liniei

Principiul de funcționare este următorul: când platforma se deplaseză pe traiectoria impusă, fig. 5.8. (linie), semnalele luminoase emise de led-uri sunt reflectate și captate de către detectorii de IR a căror rezistență electrică este mare în lipsa luminii, și scade în funcție de cantitatea de lumină recepționată. Acest semanl electric este transmis unui CI comparator. Acesta în lipsa informațiilor de la senzori afișează la ieșire un semnal logic 1. În momentul în care rezistența fotodetectorului scade (este luminat), tensiunea pe intrarea inversoare a comparatorului crește, fapt ce determină scăderea tensiunii pe ieșirea acestuia, care devine 0 logic.

Fig. 5.8. Exemplu de deplasare a platformei pe traiectorie

Această modificare a tensiunii este sesizată de către microcontroler, acesta luând decizia de comandă a servomotoarelor, în conformitate cu un algoritm stabilit prin software.

5.4 Principiul de funcționare al senzorului pentru detecția obiectelor

Principiul de funcționare al acestui tip de senzor este următorul: fiecare Led emite trenuri de impulsuri luminoase cu frecvență de 40KHz. cu pauză de 5 ms între ele; această pauză este necesară receptorului IR să citescă indicațiile fiecărui LED; în lipsa oricărui semnal luminos, receptorul IR este în starea logică 1 (pe pinul 7RBl/Rx-PORTBl al microcontroler-ului este afișată tensiunea de 5 V); în momentul în care, pe traiectoria de deplasare se întrerupe un obiect opac, se produce fenomenul de reflexie a radiației IR emisă de către LED, sub un anumit unghi datorită fenomenului de triunghiulatie, fig. 5.9.

O parte din această radiatie luminoasă se dispersează în mediu, iar o parte este captată de receptorul IR, fapt care determină schimbarea stării pinului PORTB1 al microcontroler-ului să comande unul din cele două servomotoare, să execute o schimbare a sensului de rotație în funcție de un algoritm stabilit prin software.

Fig. 5.9. Principiul triunghiulației undelor IR

Conform celor prezentate mai sus, dacă este semnalată prezența unui obiect pe partea stângă în sensul de deplasare, atunci microcontroler-ul va comanda servomotorul din partea dreaptă să se rotească în sens invers pentru câteva milisecunde, fapt ce va determina deplasarea platformei mobile către dreapta; această acțiune ca continua până când acel obiect care a cauzat această modificare nu se mai află în raza vizuală a receptorului.

5.5 Descrierea microcontrolerului PIC18F14K50

Circumstanțele în care ne găsim astăzi în domeniul microcontroalelor și-au avut începuturile în dezvoltarea tehnologiei circuitelor integrate. Această dezvoltare a făcut posibilă înmagazinarea a sute de mii de tranzistoare într-un singur cip. Aceasta a fost premiză pentru producția de microprocesoare, și primele calculatoare au fost făcute prin adăugarea perifericelor ca memorie, linii intrare-ie șire, timer-i și altele. Următoarea creștere a volumului capsulei a dus la crearea circuitelor integrate. Aceste circuite integrate conțin atât procesorul cât și perifericele. Așa s-a întâmplat cu primul clip conținând un microcalculator sau ce va deveni cunoscut mai târziu ca microcontroler, a luat ființă.

Microcontrolerul diferă de un microprocesor în multe feluri. Pentru a fi folosit, unui microprocesor trebuie să i se adauge alte componente ca memorie, sau componente pentru primirea și trimiterea de date. Pe scurt aceasta înseamnă că microprocesorul este imina calculatorului. Pe de altă parte, microcontrolerul este proiectat să fie toate acestea într-unui singur. Nu sunt necesare alte componente externe pentru aplicarea sa pentru că toate perifericele necesare sunt deja incluse în el. Astfel economisim timpul și spațiul necesare pentru construirea de aparate.

Microcontrolerele PIC au fost dezvoltate de firma americană Microchip, la începutul anilor 90. Faptul remarcabil pentru care a putut cuceri un important segment din piața de microcontrolere a fost modalitatea simpla de înscriere a programului (serială, necesită doar trei fire), memoria program conținută în aceeași capsulă, noua tehnologie CMOS de realizare (deci consum redus) și prețul relativ scăzut.

Aproape toate microcontrolerele PIC există în două versiuni, și anume:

"Windowed" marcate cu sufixul "JW" pe capsula (ex. 12C509-04/JW). Aceste chipuri se folosesc la dezvoltarea de aplicații deoarece permit ștergerea programului și reînscrierea lui, de mai multe ori. Ștergerea programului se face prin expunerea chip-ului la raze ultraviolete. Capsula are prevăzută pe partea de sus o fereastră din sticlă de cuarț prin care pot pătrunde razele ultraviolete.

"OTP" (One Time Programable), cele programabile o singură dată. Funcțional și tehnologic sunt identice cu cele "windowed", doar că nu au prevăzută fereastra de cuarț, deci programul odată înscris nu mai poate fi șters. Deci o aplicație gata dezvoltată și încercată cu o versiune "windowed", poate fi multiplicată pentru producție de serie în capsule "OTP" care sunt de câteva ori mai ieftine. Aceste două versiuni,Windowed și OTP sunt realizate în tehnologie CMOS EPROM.

Mai nou ca o mediere între versiunile "windowed" și "OTP" a apărut o nouă versiune numită "Flash" bazată pe tehnologie CMOS EEPROM. Aceste chip-uri nu au fereastră dar pot fi totuși șterse și reprogramate de mai multe ori. Sunt folosite atât la dezvoltarea de aplicații cât și la produse de serie. Ele sunt marcate cu un "F" pe capsula (ex. 16F628-04/P).

Caracteristici: Arhitectura de tip RISC (Reduced Instruction Set Coputer) cu doar 35 de instrucșiuni și resurse interne suficient de puternice; Memorie program 2 kocteți repartizată pe 2 pagini; Memorie RAM de 224 octeți repartizată pe 4 bancuri; Memorie EEPROM de 128 octeți; TMROun ceas (temporizator) de 8 biți; TMR1 un ceas de 16 biți; 4 comparatoare configurabile diferit; Referință internă de tensiune cu rezoluție de 4 biți; Un modul Compare Capture&Plus With Modulation cu ceas propriu

TMR2; Un modul Universal Sznchronous Asznchronous Receiver Transmitter pentru comunicație cu exteriorul; Un WatchDogTimer (câine de pază);

Facilități de pornire protejată a oscilatorului (Power-up Timer, Start-up Timer) care poate fi intern (de tip RC) sau extern: cuarț (LP sub 200 KHz, XT până la 4 MHz, HS peste 4MHz), rețea RC sau rezonator; Protecție la pertubatori induși pe alimentare (Brown-out detect); Programare în mod High Voltage Programming (13.5V) sau Low Voltage Programming (5V);

Două porturi de intrare–ieșire, fiecare de cate 8 biți; 10 surse diferite de întreruperi; Stivă de 8 biți, 16 regiștri hardware cu funcții speciale.

Fig. 5.10. Semnificația pinilor microcontrolerului PIC18F14K50

PIC18F14K50 are un număr total de 20 de pini. Este un controler de servo extrem de versatil și de uz general I/O într-o placă extrem de compactă (0,85" x 1,20") pachet. Aceasta susține trei metode de control: USB pentru conectare directă la un computer, serial TTL pentru utilizare cu sisteme integrate, și scriere internă independentă, controler-ul gazdă – aplicații libere. Canalele pot fi configurate ca ieșiri de servo pentru utilizare cu control radio (RC), servo sau cu comenzi electronice de viteză (CES), ca ieșiri digitale, sau ca intrări analogice. Extrem de precise, de înaltă rezoluție impulsurile servo au un bruiaj mai mic de 200 ns, făcând ca aceste servo controlere potrivite pentru aplicații de înaltă performanță, cum ar fi robotica și mecatronica, și-a construit în viteză și accelerație de control pentru fiecare canal, ce face mai ușor de realizat o mișcare lină, fără sudură, fără a fi necesară sursă de control pentru a calcula în mod constant fluxul de actualizări intermediare.

Pinii microcontrolerului PIC18F14K50 au următoarea semnificație:

RA2 – al doilea pin la portul A. Nu are funcție adițională;

RA3 – al treilea pin la portul A. Nu are funcție adițonală;

RA4 – al patrulea pin la portul A. TOCK1 care funcționează ca timer se găsește de asemenea la acest pin;

MCLR resetează intrarea și tensiunea de programare Vpp a microcontrolerului; VSS Alimentare, masă;

RBO pin de zero la portul B. Intrarea întrerupere este o funcție adițională;

RB1 primul pin la portul B. Nu are funcție adișională;

RB2 al doilea pin la portul B. Nu are funcție adițională;

RB3 al treilea pin la portul B . Nu are funcție adițională;

RB4 al patrulea pin la portul B. Nu are funcție adițională;

RB5 al cincilea pin la portul B. Nu are funcție adițională;

RB6 al șaselea pin la portul B. Linia de „Clock" în mod programare;

RB7 al șaptelea pin la portul B. Linia „Data" în mod programare;

Vdd polul pozitiv al sursei;

OSC2 Pin desemnat pentru conectarea la un oscilator;

OSCI Pin desemnat pentru conectarea la un oscilator;

RAO Al doilea pin la portul A. Nu are funcție adițională;

RAI primul pin la portul A. Nu are funcție adițională;

Circuitul oscilator este folosit pentru a da microcontrolerului un ceas-clock. Ceasul este necesar pentru ca microcontrolerul să execute programul sau instrucțiunile din program.

PIC 18F14K50 poate lucra cu patru configurații diferite de oscilator. Tipul de microcontroler cu oscilator cu cristal este desemnat ca XT, iar microcontrolerul cu perechea rezistor-condensator are desemnarea RC.

Resetul este folosit pentru a pune microcontrolerul într-o condiție cunoscută. Aceasta înseamnă practic că microcontrolerul poate să se comporte incorect în unele condiții nedorite. Pentru a continua să funcționeze corect trebuie resetat, însemnând că toți regiștrii vor fi puși într-o stare de start.

Pentru a preveni ajungerea unui zero logic la punctul MCLR accidental (linia de deasupra înseamnă că resetul este activat de un zero logic), MCLR trebuie să fie conectat printr-un rezistor Ia polul pozitiv al sursei de alimentare. Rezistorul trebuie să fie între 5 și 10 k. Acest rezistor a cărui funcție este de a menține o anumită linie la starea logică unu ca o prevenire, se numește o scoatere – pull up.

Microcontrolerul PIC18F14K50 are câteva surse de reset:

a) Reset la alimentare, POR (Power – On Reset);

b) Reset în timpul lucrului obișnuit prin aducerea unui zero logic la pinul MCLR al microcontrolerului;

c) Reset în timpul regimului SLEEP;

d) Reset la depășirea timer-ului watchdod (WDT)

e) Reset în timpul depășirii WDT în timpul regimului SLEEP.

Cele mai importante resurse de reset sunt a) și b). Prima are loc de fiecare dată când este alimentat microcontrolerul și servește la aducerea tuturor regiștrilor la starea inițială a poziției de start. A doua este pentru a aduce un zero logic la pinul MCLR în timpul operației norale a microcontrolerului. Este des folosită în dezvoltarea de programe. In timpul unui reset, locațiile de memorie RAM nu sunt resetate. Ele sunt necunoscute la alimentare și nu sunt schimbate la nici un reset. Spre deosebire de acestea, regiștrii SFR sunt resetați la o stare inițială a poziției de start. Unul din cele mai importante efecte ale resetului este setarea controlului de program (PC) la zero (OOOOh), ceea ce permite programului să înceapă executarea de la prima instrucțiune scrisă.

Unitatea de procesare centrală (CPU) este creierul microcontrolerului. Această parte este responsabilă cu găsirea și aducerea (citirea din memorie)-fetching instrucțiuni corecte ce trebuie executată, cu decodarea acelei instrucțiuni, și în final cu executarea ei. Unitatea de procesare centrală conectează toate părțile microcontrolerului într-un întreg. Desigur funcția sa cea mai importantă este să decodeze instrucțiunile de program. Când programatorul scrie un program, instrucțiunile au o formă clară ca MOVLW 0x20. Totuși pentru ca microcontrolerul să înțeleagă această formă de "scrisoare" a unei instrucțiuni trebuie tradusă într-o serie de zero-uri și unu-uri ce se numește "opcode". Această tranziție de la o scrisoare la o formă binară este făcută de translatori ca translatorul assembler (cunoscut ca assembler sau asamblor). Instrucțiunea astfel adusă – fetched din memoria programului trebuie să fie decodată de unitatea de procesare centrală.

Fig. 5.11. Schiță a unității de procesare centrale

Putem apoi selecta din tabela tuturor instrucțiunilor un set de acțiuni ce execută o sarcină desemnată definită de instrucțiune. Pentru că instrucțiunile pot să conțină în ele asignări ce cer diferite trasferuri de date dintr-o memorie în alta, din memorie la porturi, sau alte calcule, CPU trebuie să fie conectată cu toate părțile mi crocontro Ierului. Aceasta este posibil printrun bus de date și un bus de adrese.

Unitatea logică aritmetică este responsabilă de executarea operațiilor ca adunarea, scăderea, mutarea (la stânga sau la dreapta într-un registru) și de operațiile logice. Mutarea datelor într-un registru se mai numește "shifting" – transferate. PIC18F14K50 conține o unitate logică aritmetică de 8 biți, de regiștrii de lucru de 8 biți.

Fig. 5.12. Schema bloc a microcontrolerului PIC18F14K50

În instrucțiunile cu doi operanzi, în mod obișnuit un operand este în registrul de lucru (registrul W), iar celălalt este unul din regiștri sau o constantă. Prin operand înțelegem conținutul asupra căruia se fac unele operații, iar un registru este oricare din.regiștrii GPR sau SFP.. GPR este o prescurtare de la „General Purposes – Regiștri cu Scopuri Generale, iar SFR de la "Special Function Registers – Regiștri cu Funcție Specială". În instrucțiunile cu un operand, un operand este fie registrul W fie unul din regiștri. Pe lângă operațiile aritmetice și logice, ALU controlează biții de stare (biți găsiți registrul STATUS). Executarea unor instrucțiuni afectează biții de stare depide rezultatul însuși. Depinzând de ce instrucțiune este executată, ALU poate afecta valorile biților Carry (C), Digit Carry (DC), și Zero (Z) în registrul STATUS.

Portul se referă la un grup de pini a unui microcontroler ce pot fi accesați simultan, sau la care putem seta combinația dorită de zero-uri și unu-uri, sau de la care putem citi o stare existentă. Fizic portul este un registru în interiorul unui microcontroler ce este conectat cu fire la pinii microcontrolerului. Porturile reprezintă conexiunea fizică a Unității de Pricesare Centrală (CPU) cu lumea exterioară. Microcontrolerul le folosește pentru ale monitoriza sau controla alte componente sau aparate. Datorită funcționalității, unii pini au rol dublu ca RA4/T0CKI de exemplu, care este simultan al patrulea bit la portul A și o intrare externă pentru contorul liber (free-run). Selecția unuia uneia din aceste două funcții ale pinului se face în unul din regiștrii configuraționali. O ilustrație a acesteia este al cincilea bit TOCS în registrul OPTION. Selectând una din funcții cealaltă este dezactivată.

Toți pinii portului pot fi definiți ca intrare sau ieșire, conform cu nevoile unui montaj ce este în dezvoltare. Pentru a defini un pin ca pin de intrare sau ca pin de ieșire, trebuie scrisă combinația corectă de zero-uri șu unu-uri în registrul TRIS.

Dacă în locul potrivit este scris „1" logic în registrul TRIS, acel pin este pin de intrare, dacă este valabil contrariul, este un pin de ieșire. Fiecare port are registrul lui TRIS. Astfel, portul A are TRIȘA la adresa 85h, iar portul B are TRISB la adresa 86h.

Fig. 5.13. Relația dintre TRISA și registrul PORTA

PORTB are 8 pini legați la el. Registrul adecvat pentru direcția datelor este TRISB la adresa 86h. Setarea unui bit în registrul TRISB definește pinul portului corespunzător ca pin de intrare, și resetarea unui bit în registrul TRISB , definește pinul portului corespunzător ca pin de ieșire. Fiecare pin la PORTB are un rezistor slab intern pull-up (scoatere) (rezistor care definește o linie la unu logic) care poate fi activat prin resetarea celui de-al șaptelea bit RBPU în registrul OPTION. Acești rezistori „pull-up" se închid automat când pinul portului este configurat ca o ieșire. Când pornește microcontrolerul, "pull-up-ii" sunt dezactivați. Pantru pini ai portului PORTB, RB7:RB4 pot cauza o întrerupere, care se întâmplă când starea lor se schimbă de la unu logic la zero logic și invers. Numai pinii configurați ca intrare pot cauza această întrerupere să se întâmple (dacă fiecare pin RB7:RB4 este configurat ca o ieșire, nu va fi generată o întrerupere la schimbarea stării). Această opțiune de întrerupere cu rezistorii "pull-up" fac mai ușoară rezolvarea problemelor din practică, ca de exemplu o tastatură matriceală. Dacă rândurile tastaturii sunt conectate la acești pini, fiecare apăsare a unei clape va cauza o întrerupere. Microcontrolerul va determina care clapă este apăsată în timp ce se procesează o întrerupere. Nu se recomandă să apelați la portul B în timp ce se procesează întreruperea.

PORTA are 5 pini legați de el. Registrul corespunzători pentru direcția datelor este TRIȘA la adresa 85h. Ca și la portul B setarea unui disc în registtul TRIȘA definește de asemenea pinul portului corespunzător ca un pin de intrare, și resetarea unui disc în registru] TRIȘA definește pinul portului corespunzător ca pin de ieșire. Al cincilea pin al portului A are funcție duală. La acel pin se află de asemenea o intrare externă pentru timer-ui TMRO. Una din aceste 2 obțiuni este aleasă prin setarea sau resetarea bitului TOCS (TMRO Clock Source Select Bit-Bit de selecție a sursei ceasului TMRO). Acest pin permite timer-ului TMRO să își crească starea fie de la oscilatorul intern fie prin impulsuri externe la pinul RA4/TOCKI memoria program a fost realizată în tehnologia Flash cea ce face posibil programarea unui microcontroler de mai multe ori înainte de a fi instalat într-un montaj, și chiar de pe instalarea sa dacă se întâmplă unele schimbări în program sau parametrii de proces. Mărimea memoriei program este de 1024 locații cu lățime de 14 biți, unde locațiile 0 și 4 sunt rezervate pentru reset și pentru vectorul întrerupere.

Memoria de date constă din memoriile EEPROM și RAM. Memoria EEPROM constă din 64 locații de 8 biți a căror conținut nu este pierdut în timpul opririi sursei de alimentare. EEPROM-ul nu este direct adresabil dar este accesat indirect prin regiștrii EEADR și EEDATA. Pentru că memoria EEPROM este folosită curent la memorarea unor parametrii importanți (de exemplu, o temperatură dată în regulatoarele de temperatură), există o procedură strictă de scriere în EEPROM ce trebuie urmată pentru a prevenii scrierea accidentală. Memoria RAM pentru date ocupă un spațiu într-o hartă a memoriei de la locația OxOC la 0x4F ceea ce înseamnă 68 de locații. Locațiile memoriei RAM sunt de asemenea denumite registru GPR care este o abreviere General Purpose Registers-Regiștrii cu Scop General. Regiștrii GPR pot fi accesați indiferent de ce banc este selectat la un moment dat.

Fig. 5.14. Organizarea memoriei microcontrolerului PICFB4

Regiștrii SFR sunt regiștrii ce ocupă primele 12 locații în bancurile 0 și 1 și sunt regiștrii ai funcțiilor specializate astignată cu unele blocuri ale microcontrolerului. Aceștia sunt numiți Special Function Registers -Regiștrii Ai funcției Speciale.

Întreruperile sunt un mecanism a unui microcontroler ce îi permit să-i respingă la unele evenimente la momentul când se întâmplă indiferent la ce făcea atunci microcontrolerul. Aceasta este o parte foarte importantă, deoarece permite conexiunea microcontroler-ului cu lumea de afară. în general fiecare întrerupere schimbă debitul programului îl întrerupe, și după executarea unui subprogram (rutină de întrerupere), continuă din același punct.

Contorul de program (PC) este un registru de 13 biți ce conține adresa instrucțiunii ce se execută. Prin incrementarea sau schimbarea sa (exemplu în caz de salturi) microcontrolerul execută instrucțiunile de program pas cu pas.

STIVA – PTC16 S28 are o stivă de 13 biți cu 8 nivele sau cu alte cuvinte, un grup de 8 locații de memorie de 13 biți lățime cu funcții speciale. Rolul său de bază este de a păstra valoarea contorului de program după un salt din programul principal la o adresă a unui subprogram. Pentru ca un program să știe cum să se întoarcă la punctul de unde a pornit trebuie să înapoieze valoarea contorului programului din stivă. Când se mută dintr-un program într-un subprogram, controlul programului este împins în stivă (un exemplu fiind Instrucțiunea (CALL). Când se execută instrucțiuni ca Return, Retlw sau Retfie sau au fost executate la sfârșitul unui subprogram, conturul programului a fost luat dintr-o stivă, astfel încât programul să poată continua de unde a fost oprit înainte de a fi întrerupt. Aceste operații de plasare într-o și luare dintr-o tivă de contor de program sunt numite PUSH și POP, și sunt numite conform cu instrucțiunile similare ale unor microcontrolere mai mari.

5.6 Servomecanismele de acționare

Servomecanismele sunt dispozitive electromecanice, compuse dintr-un motor electric de curent continuu, un potențiometru cu rol de traductor, un circuit electronic de control al poziționării și un reductor mecanic format din roți dințate cu dinți drepți (fig. 5.15.). Servomotoarele sunt folosite în mod normal pentru a controla deplasări unghiulare cu valori cuprinse între 0 și 180 de grade sau în unele cazuri până la 270 grade. Pentru a fi utilizate în sisteme unde sunt necesare rotații mai mari de 360 de grade, se procedează la înlocuirea potențornetrului cu rezistență de valoare fixă. Părțile componente ale unui servomecanism:

1. angrenaj cu roți dințate;

2. rezistențe variabile (potențometru);

3. motor electric de curent continuu;

4. circuit electronic de control al poziționării.

Fig. 5.15. Servomotor

Sunt utilizate în sisteme flexibile care nu necesită momente de torsiune și sarcini de încărcare mari, dar în care se cere o înaltă precizie și viteză de execuție a sarcinii, consum scăzut de energie fiind flexibile, eficiente, având un preț relativ scăzut.

Sunt prevăzute cu 3 fire de alimentare: 2 constituie alimentarea cu tensiune de ± 4,8 V, iar cel de al treilea fir reprezintă firul de comandă (control). Pe aceste din urmă se injectează impulsul de tensiune cu o anumită perioadă. Unghiul de răcire este determinat de durata impulsului care este aplicat pe firul de control. Pentru a funcționa servomotorul așteaptă un impui la fiecare 20 ms (0,02s). Lungimea acestui impuls va determina viteza și sensul de rotație a rotorului. De exemplu, la un impuls de tensiune cu durată de 1,5 ms, rotorul va executa o rotație cu 90 de grade. Dacă acest impuls are o durată mai mica de 1,5 ms atuncu unghiul de rotație va fi mai mic de 90 de grade, iar dacă acesta este mai mare decât valoarea menționată anterior, atunci unghiul de rotație se va apropia de valoarea de 180 de grade.

Capitolul 6 – Controlul mișcării robotului colaborativ cu șenile

Deoarece motoarele sunt montate în oglindă, vom comanda unul dintre ele, ca atunci când primește comanda înainte să o execute înapoi și pe cea înapoi să o execute înainte.

6.1 Deplasare înainte

Pentru deplasarea înainte vom acționa ambele servomotoare spre direcția înainte cu o viteză unghiulară egală.

Pentru deplasarea înainte și virajul la dreapta, în timp ce motoarele sunt acționate spre înainte cu viteze unghiulare egale, vom reduce , opri și chiar schimba sensul motorului din dreapta până când acesta va ajunge pe traiectoria dorită.

Pentru deplasarea înainte și virajul la stânga în timp ce motoarele sunt acționate spre înainte cu viteze unghiulare egale, la fel ca la virajul la dreapta, vom reduce, opri și chiar schimba sensul motorului, de data asta din partea stângă, sau mărim viteza motorului din dreapta.

6.2 Deplasare înapoi

Pentru deplasarea înapoi vom acționa ambele servomotoare spre direcția opusă celei prezentate la subcapitolul 6.1., având grijă ca acestea să se rotească cu viteze unghiulare egale.

Pentru deplasarea înapoi și virajul la dreapta, în timp ce sermotoarele sunt acționate spre direcția înapoi, motorul din dreapta își reduce viteza, se oprește și chiar își schimbă sensul, sau mărim viteza motorului de pe partea stângă.

Pentru deplasarea robotului înapoi și virajul la stânga, în timp ce servomotoarele sunt acționate spre direcția înapoi, motorului din stânga i se reduce viteza, se oprește sau chiar i se schimbă sensul (mai putem să îi mărim viteza motorului din dreapta).

6.3 Întoarcere

Întoarcerea se poate realiza în mai multe moduri:

– pentru întoarcerea dreapta spate, se oprește motorul din dreapta, lăsându-l pe cel din stânga să învârtă roata stângă spre înapoi până la întoarcerea cu 180°.

– pentru întoarcerea stânga spate, se oprește motorul din stânga acționându-l pe cel din dreapta spre înapoi până la întoarcerea cu 180°.

– pentru întoarcerea dreapta spate fără oprirea vreunui servomotor, se reduce viteza unghiulară a servomotorului de pe partea dreaptă, se menține sau eventual se mărește viteza unghiulară a servomotorului de pe partea stângă spre înapoi până ce robotul se întoarce cu 180°.

– pentru întoarcerea stânga spate fără oprirea vreunui servomotor, se reduce viteza unghiulară a servomotorului de pe partea stângă, se menține sau eventual se mărește viteza unghiulară a servomotorului din partea dreaptă spre înapoi, și se menține eventual, până ce acesta se configurează cu 180° față de ultima lui poziție.

6.4 Întoarcere față

Pentru întoarcerea dreapta față, se oprește motorul din dreapta, lăsându-l pe cel din stânga să învârtă roata stângă spre înainte până ce robotul se întoarce cu 180°.

Pentru întoarcerea dreapta față fără oprirea vreunui servomotor, se reduce viteza unghiulară a servomotorului de pe partea dreaptă, se menține sau eventual se mărește viteza unghiulară a servomotorului de pe partea stânga spre înainte până ce robotul se întoarce cu 180°.

Pentru întoarcerea stânga față fără oprirea vreunui servomotor, se reduce viteza unghiulară a servomotorului din partea stângă, se menține sau eventual se mărește viteza unghiulară a servomotorului din partea dreaptă spre înainte și se menține apoi până ce acesta se configurează cu 180° față de ultima lui poziție.

6.5 Întoarcere prin acționarea sincronă a celor doauă servomotoare în sens contrar

Întoarcerea spre dreapta față este simultană cu întoarcerea stânga spate. Această mișcare se realizează prin acționarea servomotorului din partea dreaptă înspre spate și a servomotorului din stânga spre față până când robotul va ajunge în poziția dorită.

Întoarcerea spre stânga față este simultană cu întoarcerea spre dreapta spate. Această mișcare se poate realiza prin acționarea servomotorului din dreapta spre înainte concomitent cu a celui din stânga spre înapoi. Această acționare se menține până când robotul ajunge în poziția dorită.

Capitolul 7 – Aplicația software al robotului

Aplicația software a fost scrisă în limbajul de programare Basic, cu ajutorul mediului de programare specializat pentru microcontrolere, Microcode Studio. Este un limbaj de programare textual, având înglobate multe funcții specifice microcontrolerelor, pentru comanda diferitelor tipuri de device, cum ar fi:

– servomotoare;

– display-uri LCD;

– motoare pas cu pas;

– drivere pentru LED-uri, etc

Fișierul sursă rezultat este prelucrat cu ajutorul compilatorului intern, rezultatul fiind un fișier de tip hexazecimal. Acest fișier este înscris în microcontroler cu ajutorul unui programator de port serial și al unui utilitar pentru OS Win9x – Icprog.

#urmarire linie

begin

stangaL # apel functie mers la stanga

# 200 delay

drop # golire acumulatori + registri

dreaptaL # apel functie mers la dreapta

#200 delay

drop

stangaL

# 200 delay

drop # golire acumulatori + registri

repeat

sub dreaptaL

SD_Negru_Less # Apel Functie achizitie valoare senzor si comparare cu valoare prag senzor dreapta

if

#mers inainte

8000 0 servo

4000 1 servo

#delay

else

#curba la stanga

4000 0 servo

4000 1 servo

#delay

endif

sub stangaL

SS_Negru_Less # Apel functie achizitie valoare senzor si comparare cu valoare prag senzor stanga

if

8000 0 servo

4000 1 servo

#delay

else

#curba la dreapta

8000 0 servo

8000 1 servo

endif

#sub SD_Negru_Greater

# 5 get_position 240 greater_than

# return

sub SD_Negru_Less # detectia benzii negre, senzorul din dreapta

5 get_position 170 less_than

return

sub SS_Negru_Less # pe negru, senzorul din stânga, achiziție valoare senzor și comparare cu valoare prag senzor stânga,

#returneaza 1 sau 0 , in functie de amplasarea sub sau peste pragul cautat 4 get_position 150 less_than

return

Capitolul 8 – Concluzii

Scopul acestei lucrări a fost de a proiecta, realiza și controla un robot. Acest material a încercat să pună în evidență îmbinarea armonioasă și fuziunea tehnologică dintre cele trei componente de bază ale roboticii:

mecanica;

electronica;

informatica, precum și utilizarea microcontroler-elor în aplicații, de asemenea utilizarea microprocesoarelor și a calculatoarelor de procces permite în mare măsură înlocuirea componentelor hardware (mecanice și electronice) cu componente software.

Domeniul roboticii este unul foarte vast, astfel că pot exista o mulțime de forme constructive de roboți, ce pot avea diferite comportamente în mediul ambiant.. Să nu uităm de tipurile de roboți care sunt folosiți în scopuri educaționale, amuzament și care au, de asemenea, forme și caracteristici foarte variate.

Bibliografie

Davidoviciu A., Robotica și inteligența artificială, Editura Academiei. București 1983.

Stan, Gh., Roboți industriali, Editura Didactică și Pedagogică București 2004

Revista Intelligent Transportation systems, School of Industrial and system Engineering, Atlanta, 2002.

Revista Mobile Robotics, studiul : Research, aplications and Challanges, The University Of Manchester, 2002.

Telea, D., Roboți în sisteme de transfer automat, Editura Universității "Lucian Blaga", Sibiu 1995.

Studiul, Sensors for Mobile Robots. Theory and Application, The University of Michigan.

Receanu, D., Analiza structurală și dinamica roboților industriali, Editura "Gheorghe Asachi", Iași, 2001.

Ciobanu, L., Manipulatoare și roboți industriali, Editura "Gheorghe Asachi", Iași, 1994.

Handra, L.V., Mătieș, V., Brișan C., Tiucă, T., Roboți – structură cinematică și caracteristici, Editura Dacia, Cluj – Napoca, 1996.

Site-uri web:

www.gws.com.tw. Aplication Note for Feedhorn Servo motor.

www.microchips.com. Documentație microcontrolere.

www.vishav.com. Photo module for PCM Remote Control Systems, Receptore IR pentru sisteme de control la distanță.

www.expresspcb.com. Software pentru desenarea schemelor electrice si a circuitelor imprimate.

www.dai.ed.ac.uk. Mobile Robotics Research Group, Edinburgh University.

www.frc.ri.cmu-edu, Introduction to Mobile Robots.

www.certec.Ith.se. Sensor based navigatîng mobile robots for people with disabilities.

www.vtt.fi. Mobile robots evolving in industrial applications.

www .al 1 aboutcircuits. com. AH about circuits.