Concepția ȘI Realizarea Unui D.g. Pentru Un Robot

Concepția și realizarea unui D.G. pentru un robot

cu 4 grade de mobilitate

Cuprins

Introducere

Analiza stadiului actual al temei

Introducere în robotică

De-a lungul timpului omul și-a dorit ușurarea modului său de viață cu un efort cât mai mic. Aceasta fost un proces lung care a început prin anul 350 î Hr. cu primul mecanism propulsat de aburi, de atuncea pana la apariția primului robot industrial au existat multe progrese in domeniul mecanici electronici si programari astfel ca in zilele noastre suntem capabili să creăm roboți cu aplicații în aproape orice domeniu în mod special cel industrial unde se vede o nevoie foarte mare pentru roboti industriali pentru automatizarea proceselor de producție la scară largă cu complexitate ridicată.

Astfel ca în industrie putem observa o creștere cât mai mare în automatizarea proceselor de producție din care un rol important îl au roboți industriali. Roboți care pentru a putea raspunde necesitatăți industriei au evoluat până in punctul în care putem spune ca robotul industrial este alcatuit dintrun sistem complex de senzori, microcontrolere, siteme de actionare implementate pe calculator cu abilitatea de a percepe, a comunica, a percepe si de a lua decizii în funcție de cazul dat.

În general putem spune ca acesti roboți sunt alcatuiți din trei sisteme mari, și anume sistemul de conducere și sistemul mecanic.

2.1.1. Sistemul de conducere

Sistemul de conducere are rolul de a pune în mișcare robotul și de a controla această mișcare iar ca și structura ea este formată din două subsisteme, anume sistemul de comandă și cel de acționare. În funcție de informațiile culese de catre sistemul de comandă cu ajutorul xu ajutorul unui calculator dictează comenzile robotului astfel ca el sa efectueze mișcările corecte, comenzi care sunt trmise mai departe sistemului de acționare care este responsabil de controlul si reglarea mișcări robotului la nivelul tuturor articulaților acest sistem are la fiecare articulatie cate un sistem de reglare automat, cât depsre acționarea propriu zisă, se folosesc mai multe feluri de acționare și anume electric, pneumatic și hidraulic.

2.1.2. Sistemul mecanic

Acest sistem reprezintă brațul robot care execută poziționarea și orientarea pieselor de manipulat în spațiu.

Structura ei corespunde cu cel al brațului și mâini omului si anume dispozitivul de ghidare reprezintă bratul omului și efectorul final reprezintă mâna omului. Fiecare dintre acestea se împarte în mai multe subcategorii conform figuri 1, deorece scopul lucrări nu include proectare efectorului final vom trece doar peste dispozitivul de ghidare care are funcția de a deplasa efectorul final cu piesa de lucru, dintr-o poziție în alta adică de a mișca piesa cu ajutorul efectorului final pe o traiectorie predefinită sau într-o poziție predefinită. Dispozitivul de ghidare este alcătuit din lanț cinematic deschis, care este realizat din elemente mecanice interconectate două câte două între ele astfel ca ele formează cuple cinematice, în general roboți sunt alcătuiți din 6 cuplce cinematice cu ajutorul cărora robotul poate ajunge in orice punc din spatiul de lucru al acestuia. Fiecare cuplă cinematică are doar un grad de libertate, anume permite o singura mișcare, mișcare care poate fi de rotație sau de traslație, rezultând cuple de translație sau cuple de rotație. Desigur fiecare cuplă cinematice are propriul său sistem de acționare cea ce însemnă că el poate fi acționat indepent față de celelate cuple.

Dispozitivul de ghidare este alcătuit din două componente:

Mecanismul generator de traiectorie

Mecanismul de orientare

Mecanismul generator de traiectorie este format în marea majoritatea a cazurilor din primele 3 cuple cinematice si are rolul de a realiza modificarea poziției piesei de lucru. Iar mecanismul de orientare esete format de obicei din ultimele 3 cuple cinematice cu rolul de poziționare și situare în spațiu al piesei de lucru.

2.1.2.1. Structura mecanismului generator de traiectorie

Schimabarea poziției piesei de lucru se face cu ajutorul Acestui mecanism. Cum spuneam robotul poate fi asemănat unui braț uman cu mână din care funcțiile brațului sunt indeplinite de mecanismul genrator de traiectorie. În majoritatea cazurilor mecanismul generator de traiectorie are trei grade de libertate sau putem spune că el realizează modificarea coordonatelor carteziene X, Y, Z ale punctului carcterisitic. Cele trei grade de libertate reprezinte defapt primele trei cuple cinematice ale robotului. Astfel că putem avea 8 structuri diferite de cuple de translație si de rotație cu care putem genera un spatiu de lucru conform tabelului 1. Unde cu T sau notat translațiile si cu R sau notat rotațiile.

Tabel 1 Structuri de mecanisme generatoare de traiectorie

Deși avem 8 tipuri diferite de structuri, în realitate se folosesc doar patru dintre acestea în funcție de spațiul de lucru pe care il generează vezi tabel 2.

Tabel 2 Tipuri de MGT în functie de structura cinematică

2.1.2.2. Structura mecanismului de orientare

În orice proces de prelucrare sau manipulare nu ajunge doar să avem piesa de prelucrat la poziția corectă, avem nevoie și de orientarea corectă astfel că după ce am poziționat pieasa de lucru ea este orientată cu ajutorulu mecanismului de orientare. Acest mecanism joacă acelați rol ca și încheietura unui braț astfel că el trebuie să aiba de obicei trei grade de mobilitate anume ultimele trei cuple cinematice din brațul robotului care sunt numai cuple de rotație. În cazul roboților industriali mai simpli există mecnisme de orientare cu mai puține grade de libertate. Dacă atașăm un sistem de coordonate de ultima cuplă a mecanismului generator de traiectorie atunci mișcările celor trei cuple de roatație se stabilesc asemănător mâini umane și anume pronație-suspinație, flexie-extensie, aducție-abducție sau în engleză Roll, Pitch, Yaw.

2.2.1. Sisteme existente

În momentul de față cel mai raspândite sisteme sunt cele de roboți industriali ele fiind folosite la manipulare, sudură, împachetare pe liniile de asamblare din industria auto, cea alimentară și orice alt fel de producție ce implică manipulare de materiale, marea majoritate a lor este acționată electric ele avînd o precizie foarte ridicată de 0.01 mm cu forță de manipulare variabile in funcție de aplicație de la cateva kilograme la sute de kilograme,cea ce face ca acești roboți să aibă costuri mari de producție și implemetare, cea ce nu este un factor favorabil într-o întreprindere. Astfel că au început să apară așa numiți roboți low cost care la aproximativ jumătate din prețul roboților industriali standard efectuează operații simple, în marea majoriate a cazurilor de manipulare, împachetare,ele fiind cu o durată de viață mai mică dar totuși profitabile cu precizie mai mică in majoritatea cazurilor și cu greutați de manipulate mai mici undeva la câteva kiograme doar. Desemenea exisță și câteva kituri DIY(do it yourself), acestea sunt foarte simple și ieftine, ele de obicei conțin doar patru cuple din care primele trei constituie mecanismul generator de traiectorie și ultima repreintă mecanismul de orientare, acționarea se face cu ajutorul unor servomoatoare care oferă o precizie de1~1,3 grade per pas si un cuplu de 1~5 kg la majoritatea modelelor.

2.2.2. Roboți cu cost redus

Această categorie este una relativ nouă și este destinată companiilor care sunt la început de drum unde nu producție nu este atât de mae încât să fie rentabilă investiția în roboți industriali standard. Am putea spune că această categorie este una nouă unde tendința este de a crea roboți care nu au nevoie de garduri de siguranță, pot conlucra cu muncitori umani, sunt usor de instalat și de programat, și nu au o greutate foarte mare astfel ăcât să poată fi realucoți oriunde pe linia de producție într-un timp cât mai scurt, toate astea cu un cost cât mai mic astfel ca și companiile mai mici să iși poată permite achiziționarea acestora. Mai departe vom prezenta roboți existenți din această categorie, o parte din roboți prezentați sun concepte noi în categoria de roboții de serviciu cu scopul de fi foarte ușor de programat cu greutate mică și cu abilitatea de a conclucra cu muncitori de pe linia de asamblare desigur dezvolatrea acestora este susținută de Uniunea Europene în colaborare cu peste 17 companii prin proiectul SPARC care are scopul de a crea o nou generație de roboți.

2.2.2.1. Conceptul ABB Dual Arm

Pentru a satisface cerințele producției rapide din industria de electronica pentru consumatori, robotul are un efector final flexibil, localizarea pieselor cu ajutorul unor camera video protejarea oepratorului uman și toate trăsăturile care vin cu controlerul IRC 5. În plus robotul este compact și proiectat să fie folosit în spații destinate municitorilor umani, Asta permite ca să se poate face cu ușurință interschimbrea cu un muncitor uman în cazul în care se schimbă o parte din linia de produție sau amplasamentul liniei de producție.

Robotul vine ca și o unitate portabilă cu două brațe care are controlerul integrat in trunchiul său. El poate fi transportat de o singură persoană și montat cu ușurință intr-o stație de lucru. Caracteristicile tehnologice importante sunt:

Coleg robotizat inofensiv pentru producție;

Distribuția brațelor ca și cele umane cu controlerul integrat în trunchiul robotului;

Completează munca omului prin automatizare;

Brațele căptușite asigură flexibilitate și productivitate în siguranță;

Robotul a fost creat ca și raspuns la cererea clienților existenți ai ABB Robotics pentru creare de soluții robotizate în medii de producție unde oameni și roboți pot conclucra împreună. Acest robot fiind prima creație din initiative de cercetare industrial ABB având nevoie de soluții noi și innovativ pentru operațiile de asamblare a pieselor mici. După rezulatele positive ABB sa angajat în dezvoltarea acestui concept.

Cu creșterea pasului în care se introduc produse noi pe piață și nesiguranța în legatura cu cantitate producției din cauza tehnologiilor rapid schimbătoare. Sistemele tradiționale fac grea crearea de linii de fabricație flexibile care pot fi ușor reconfigurate și inbunătățitepentru adaptarea de tehnologi noi. În unele cazuri este de preferat asamblarea manuală pentru a minimalize costuri de investiție inițiale dar duapa aia este foarte greu autoamtizareadin cauza cerințelor de siguranță si timpi foarte mari de creștere a producției. Pentru a inchide golul dintre liniile de asamblare complet manual și cele complet automatizate ABB a venit cu aest robot care este destinat manipulari componetelor de dimensiuni mici în sisteme de producție rapide și flexibile în comun cu muncitorul uman.

Scopul robotului este de a lucre cu si langă muncitori umani vezi figura 2, asta însemnă că el trebuie să exprime valori foarte diferite față de roboți industriali tradiționali. Problemele de siguranță nu au fost doar fizice dar si psiholigice. Chair dacă robotul este sigur pentru lucru cu oameni, oameni nu o sa vrea să lucreze langă el sau cu el daca nu pare sigur, Cuvinte cheie sau de au fost alese ca să descrie scopurile importante pentru felul în care arată și anume precise, Greutate mică, și încredere. Culoarea robotului a fost o problemă importantă, în mod obișnuit roboți ABB sunt de culaore portocalie cum că această culoare reprezintă pericolul. Folosirea acestei culori pe acest concept nu era corectă cum că acest robot a fost destinat să conlucreze cu oameni, culaorea aleasă trebuia să sugereze bunatate(alb), delicatețe (căptușeala de culaore gri) și precizia cu micile detali în portocaliu fiind în moștenire după stilul ABB.

Robotul fiind doar un concept în momentul de față, deja a reușit să câștige premiul prestigious “Red Dot” al categoriei de spațiu de lucru de la compeția anuală din Singapur. În momentul de față ABB nu are în planuri producție acestui model dar este foarte interesată de începerea acestuia în funcție de cererea de pe piață.

2.2.2.2, asta însemnă că el trebuie să exprime valori foarte diferite față de roboți industriali tradiționali. Problemele de siguranță nu au fost doar fizice dar si psiholigice. Chair dacă robotul este sigur pentru lucru cu oameni, oameni nu o sa vrea să lucreze langă el sau cu el daca nu pare sigur, Cuvinte cheie sau de au fost alese ca să descrie scopurile importante pentru felul în care arată și anume precise, Greutate mică, și încredere. Culoarea robotului a fost o problemă importantă, în mod obișnuit roboți ABB sunt de culaore portocalie cum că această culoare reprezintă pericolul. Folosirea acestei culori pe acest concept nu era corectă cum că acest robot a fost destinat să conlucreze cu oameni, culaorea aleasă trebuia să sugereze bunatate(alb), delicatețe (căptușeala de culaore gri) și precizia cu micile detali în portocaliu fiind în moștenire după stilul ABB.

Robotul fiind doar un concept în momentul de față, deja a reușit să câștige premiul prestigious “Red Dot” al categoriei de spațiu de lucru de la compeția anuală din Singapur. În momentul de față ABB nu are în planuri producție acestui model dar este foarte interesată de începerea acestuia în funcție de cererea de pe piață.

2.2.2.2. Robotul Baxter

Baxter este un robot de producție colaborativă, asemănător conceptului dual arm de la ABB și Baxter are o configurație de 2 brațe un trunchi și un sistem de recunoaștere video cu feedback și software avansat astfel că rezultatul este un robot care se adaptează în mod constant la mediul înconjurator vezi figura 3. Desigur scopul robotului fiind cel de a comclucra cu munictorii umani, el este conceput în așa fel încât nu are nevoie de garduri de siguranță. Astfel că Baxter combină mai multe tehnologii unice proiectate în așa fel ca să permită lucru fără sitemele de sigranță tradiționale descrise in standardele ISO sau ANSI. Baxter corepunde standardelor ISO 10218-1:2006 cu privințăla roboți colaborativi cu putere și forță limitată.

Carcteteristicile de siguranță ale robotului sunt controlul din partea sofware anume Baxter este proiectat a să încetinească sau să se oprească în caz de contact acidental cu muncitori umani sau alte obiecte, desigur el deține mai multe sisteme redundante precum senzori și funcți de oprire in caz de urgență pentru a spori siguranța lui. El fiind ușor datorită construiri cu ajutorul unor materiale speciale cu brațele cântărind mai puțin de 20 de kilograme, acoperit in toatalitate de material plastic și captușit cu material special la anumite cuple. Totodată datorită sitemlui dinamic de frânare robotul se va bloca încet în caz de urgență sau de pieredere a alimentări.

Robotul este dotat cu un sistem de comandă a mtoarelor diversă, asta însemnând că fiecare motor are două sisteme independente de comandă în caz în care unul dintre ele sar defecta, deasemenea datorită sistemului său sonar Baxter este capabil să recunoască prezența persoanelor din jurul lui pe o rază de .

Baxter a fost proiectat ca să reducă costul de cumpărare dar i costul deținere. Anume pentru programarea robtului nu este necesar nici un fel de scriere de cod sursă special pentru a proni robotul, însemnând că nu este nevoie de ingineri programatori speciali pentru programare robotului. Defapt Baxter poate fi “învățat” cu ajutorul interfeței grafice și prim manipularea directă a brațelor sale. Astfel nu este nevoie de ore de programare care să rețină robotul de la lucru.

Ca și aplicații Baxter conține un set de senzori integrații și cunosțințe minime pentru a efectua operații simple de producție cum ar fi:

Manipulare de materiale – el poate să mute piese dintr-un loc în altul, să le repoziționeze sau să le numere;

Aducere și evacuare de piese – baxter poate să încarce sau să descarce piese de pe suprafețe fixe sau conveioare în mișcare;

Înpachetare și despachetare – el poate să împacheteze cutii și poate fi învățat să le paleteze sau sa despacheteze palete;

Inspecție, sortare și testare – Baxter poate să verifice piesă în funcție de formă sau greutate , să le avalueze și să execute diferite acțiuni ăn funcție de niste criterii predefinite;

Asamblare de piese mici – robotul poate fi antrenat ca să execute asamblări simple;

Față de roboți industriali tipici, Baxter este un sistem complet cu tot harware-ul integrat, practic el poate fi realocat oriunde pe linia d eproducție și programat în cateva minute, iar în caz de revenire la una dintre procesele vechi nu este necesaraă reprogramre cum că robotul poate memeora peste 100 de programe, deasemnea daca este nevoie de automatizare mai complexă baxter poate fi conectat la un PLC cu usurință.

Modelul de baza costă 25,000 $ pachet în care întră robotul în sine suport hardware și software de 10 ore, și o garanție de 1 an de zile.Desigur toate aceste servicii se pot extinde pentru un cost suplimentar.

2.2.2.3. FLX.ARM.S16

Robotul FLX.ARM a fost conceptu de compania Flux Integration, compania se ocupă cu dezvoltare de sofware și hardware pentru a permite clineților săi să își proiecteze și producă propriile produse. Ca și companie ei zilnic dezvoltă prototipuri noi și le îmbunătățesc dar multe dintre acete prototipuri au nevoie de siisteme mecanice și electronice ce sunt construite cu ajutorul imprmiantelor 3D, operații de pick and place, frezari CNC, dar într-o companie mică sau chiar și persoane private nu au budgetl necesar să își permite prelucrări cu astfel de aparate, astfel că soluțI lternativă este cea de a crea o platformă modulară care este capabilă să execute cât mai multe dintre aceste operații. În plus sistemului modular platforma trebuie să fie colaborativă anume este esențial ca aceste să poată să colaboreze cu alte sisteme asta permițândui sa fie capabil să încarce piese într-un strung sau CNC, și asigură funcții precum imprimare 3D, operații de pick and place, sau operații de asamblare.

Robotul este și modular și colaborativ vezi fig 4 totul la un preț de doar 2000 $ astfel că el cocnureazaă cu alte sisteme carteziene la un preț foarte redus. Tipul robotului este SCARA anume el are trei cuple de rotație și unul de translație dar într-o configurație inversă față de roboți de tip SCARĂ obișnuiți anume cupla de traslație este prima și reprezintă practic masa de lucru în plus ea este configurabilă pentru înalțimi diferite, după care urmează cele trei cuple de roație care realizeaz spațiul de lucru al robotului care este un cilindru cu diametrul 812,8 mm. În tabelul 3 putem obsrva specificațiile robotului.

Tabel 3

Robotul ca și aplicație poate să efectueze operații de pick and place, imprimare 3D, frezare ușoară, examinare sau ca și ajutor penttru o mașină unealtă.

Primele modele vor fi trimise în septembrie 2014, și se speră cresțterea cerri ăn momentul de față sau vandut întreg lotul și nu mai este disponibil la comandă.

2.2.2.4. ST Robotics R12-500 Firefly

Robotul R12- 500 vezi figura 5 este un braț robotic articulat cu 5 sau 6 cuple de rotatie, construit în așa fel ca să ofere o soluție otimă la un cost cât mai mic. Aplicațiile acestuia includ testare, manipulare de probe, manipulare de obiecte. Robotul se termină cu o placă de montaj unde se pot monta diferite efectoare finale precum clesti sau vetuze.

Fyrefly este un robot low cost care oferă o viteza mare și precizie, ușor de programat cu spatiul de lucru util cu raza de 500 de mm. Controlerul K11 folfoseste un amestec de procesoare DSP și CPU și un sisitem de comandă al motoarelor cu tensiune inaltă cu micro-pași cea ce oferă robotului viteza și precizia sa, totodată robotul vine cu un teach pad simplu și intuitiv. Controlerul poate fi interfațat și cu alte echipamente și este capabil să controleze și alte echipamente împreună cu robotul. Softul folosit este ROBOFORTH cea ce face ca să fie foarte ușor folosirea robotului in timp ce el este capapbil să execute operațiile dele mai complexe. Asistat de RobWin sistemul este complet într-o singură feresatră windows.

Specificațiile robotului pot fi gasite în tabelul 4.

Tabel 4

Robotul poate fi înbuntățit cu opținui precum ecodere incremettale pentru monitorizrea pozitie tuturor cuplelor și reglarea acestora intr-o buclă închisă, fără acestea robotul funcționeazași iși pastreaza perfect traiecotrie datorită mtoare pas cu pas de putere mare dar în caz de coliziune robotul nu mai stie în ce pozție se află cupele ce ce face ca el să funcționeze eronat. Dar în cazul în care nu se optează pentru această opțiune companie oferă un soft rapid de reconfigurare a robotului pentru a minimiza pierderile de timp. Deasemena in mod obisnuit robotul are doar 5 axe cu cel de al 6 fiind optional pentru reducerea costului, astfel facând ca acest sistem să fie foarte adaptiv și flexibil pentru a satisface nevoile clientului. Deasemenea există și o versiune dual arm , si există și soluții cu robotul monat pe o șină liniară.

2.2.2.5. Universal Robots UR 5-10

Compania Suedeză Universal Robots produce două model de roboți low cost cu precizie si repetabilitate foarte mare anume UR-5 și UR-10, diferențele majore dintre cele două modele ar fi de preț, dimesiuni, spațiu de lucru, greutate, încărcătură. Robotul este alcatuit practic din 6 cuple cinematice și două tuburi de aluminiu vezi figura 6.

Sistemul vine cu un controler separat și un teach pendand similar roboților din industrie, programarea robotului se face manual prin punerea robotului în modul de învățatare și mișcarea acestuia manual în pozițiile dorite , esemnea robotul poat avea și un program prescris pentru a crește precizia ei.

Majoritatea aplicațiilor sunt în industrie alimantare sau la manipulare de semifabricate sau de piese finite, dar este capabil și de prelucrări ușoare deși nu se recomandă pentru astfel de aplicații. Spațiul de lucru al robotului este sferic cu raza de 850 mm la UR-5 și 1300 mm la UR-10. Desigur costul nui robot de acest gen este de 35 000 $ în funcție de model și posibilie acesorii.

Caracteristiciile robotului UR-10 se gasesc în tabelul 5.

Tabel 5

Desigur și acest sistem oferă o soluție dual arm cu ideea de a conlucra pe liniile de producție cu muncitori umani, ca și în celelalte cazuri robotul este prevazut cu un sisitem force control cea ce asigura protecția muncitorilor umani din spațiul de lucru al acestuia.

2.2.2.6. Kuka LBR IIWA

Robotul LBR IIWA este un robot de serviciu de la firma Kuka din care există două modele LBR iiwa R800 și LBR iiwa R820 vezi figura 75, care fac parte din serie de roboti de serviciu ușori, desigur și acești roboți au fost conceputi cu ideea de a conlucra cu muncitorul uman. Robotul este prevazut cu 7 cuple de rotație pentru a spori eficiența și de a mimica mișcările brațului uman cât mai exact. Precum și numele iiwa (Inteligent Industrial work assistant) ne sugerează că robotul trebuie să fie capabil de a ne asigura siguranță, mobilitatea, complianța și miscarea bionică pentru a își atinge scopul. Specificațiile celor două modele le putem vedea în tabelul 6.

Acest robot mai poate avea ca și aplicațiie pe langă cele de manipulare de semifabricate paletizare, asamblare, aplicații in medicină pentru operare pe pacienți sau in prestării servicii ca un sistem dual arm. Defapt roobtul a fost introdus în 2013 și proiectat în colaborare cu centrul Aerospațial German (DLR) cu scopul original de a fi folosit în spațiu.

2.2.3. Kituri robotice

Kiturile robotice sunt practic niște ansamble care incearcă să mimice toate caracteristicile roboților industriali cu un cost cât mai redus cu scopuri educative sau de amuzament, astfel că o mare parte dintre acestea nu au o precizie foarte mare, nici o capacitate de încarcare mare și nici fiabiliate extrem de mare. Dar ce ne pot face aceste kituri este să inspire vitorii inginerii în proiectare de roboții și să îi ajute în înțelegrea pincipiilor de funcționare a diferitelor structuri mecanice a sistemelor robotizate. În continuare vom prezenta câteva dintre aceste kituri.

2.2.3.1. Uarm

U-arm este un kit robotic inspirat după cel mai rapid robotul de paletizare ABB IRB 460, conceptul a fost de a crea un kit eficient simplu și ieftin astfel că sa ajuns la soluția aceasta de robot acționat de servomotoare din domeniul modelismului cu 3 cuple de rotație care defapt alcătuiesc MGT-ul robotului și incă unul opțional tot de rotație pentru poziționare a obictului de manipulat vezi figura 8. Desigur în design sa renunțat la precizie pentru a reduce costurile, la fel și cu materialele ele fiind plexiglass sau lemn, desigur dacă sar dori sar pute construi întreg cadrul mecanic din aluminiu pentru o rigiditate ridicată și acționat cu motoare pas cu pas pentru creșterea preciziei dar desigur asta ar însemna costuri în plus, in configurația de față robotul este la un preț de aproximativ de 300$ de dolari.

Capul robotului este capabil să aibă un alt 4 servomotor pentru pozționare sau o ventuză pentru manipulare, totodată capul se paote asmbla în 2 feluri și anume cu ventuză direcționată în jos sau în față la fel și cu servomotorul. Desigur De la lansarea primului kit Robotul a fost îmbunățit din punct de vedere mecanic anume i sa crescut rigiditate și din punct de vedere electronic, dacă original se folosea un shield Arduino cu o extensie creată special pentru Uarm, în momentul de față comanda se face le un shield care integrează toate funcțiile Arduino și exteniile necesare robotului. Pe vitor se planifică interfațarea via Bluetooth 2.0 ți 4.0 pentru a se putea comanda robotul de pe un telefon mobil. Dar și în momentul de față robotul se poate controla de pe calculatorsau cu ajutorul unui mouse. Cât despre sistemul de acționare sau schimabt servomoatore pe un model mai performant cu reductor metalic nu din plastic cu o forță de acționare mai mare și o precizie mai ridicată. Și ultima funcție care a fost adugață este modul de învățare prin mișcare a robotul în pozițiile dorite, asemănătir roboților indistriali low cost, după care robot este capabil să execute toate mișcările preînvățate.

2.2.3.2. OWI-535 Robotic Arm Edge kit

Kitul Arm Edge este un kit robotic cu 5 grade de mișcare și un efector final cu 2 degete incorporat vezi figura 9. Kitul poate fi cumpărat în două configurații diferite anume primul cu telecomadă pentru fieacare axă și cel de al doilea cu o interfață usb pentru realizarea comezni de pe calculator, un mare dezvanataj al acestui kit este însă faptul că nu poate să memoreze programe scrise, însă acest lucru este de înțls când vedem costul produsului anume doar 30$ de dolari modelul simplu fără interfață usb.

Kitul funcționează pe 4 bateri AAA cu o greutate de 660 de grame și dimensiunea de 22,5cm x16 cm x 38 cm, Cuplele au o libertate mare de rotație prima cuplă adică baza robotului se poate roti de grade a doua cuplă , a treia cuplă și a patra de , astfel că robotul este capabil să ajungă la o înalțime de 38cm și să se extindă la o lungime de 32cm, cu o capacitate de a ridica aproximativ 100 de grame.

2.2.3.3. Kit AS 6D0F

Acest kit este un braț robotic bazat pe shield-ul Arduino pentri comandă și acționare, kitul foloseste un servo controller cu 32 de iesiri care se conectează la calculator pentru a realiza comanda de la calculator, deasemnea se poate monta o camera video pe robot astfel ca el să vadă ce face si ce obiecte are în față ca ăn funcție de această informative să poate efectua operațiile corecte.

Kitul vine cu un gripper LG-NS, 3 rulmenți diferite elemente metalice preconfecționate , două servouri Hitec 311, un servo DF05BB si încă unul DF15MG, elemente de asamblare, un servo controller SSC32. Sistemul funcționează de la tensiunea de 4,8-6,8 v cu un consum maxim de 3 A totul cu greutatea de 600 de grame.

Robotul are practice 5 grade libertate fiecare fiind o cuplă de rotație cu o cursă unghiualră de aproximativ 180 de grade și un efector final incorporate cu două degete care se deschide maxim 55 mm. Înălțimea maxima a rabatul poate fi de 410 mm cu o rază de acțiune de 355 de mm. În totalitate robotul reușeste destul de bine să mimice un adevarat robot industrial cand vine vorba de numărul de cuple pe care le are dar din pacate rigiditatea și precia acestuia au mult de suferit datorită prețului scăzut anume 300$ de dolari.

2.2.3.4. Lynxmotion SESAC-KT SES

Acest kit robotic este destinat pentru entuziasti și celor dornici să învețe el fiind un kit low cost ca și cellate dar în schimb cu precizia mult mai ridicată față de celelate kituri vezi figura 10.Sistemul are 4 cuple de rotație la care se poate adauga optional încă una și un efector final cu 2 degete, distanța dintre axe este de 13 cm cu posibiliatea de atinge înalțimea maxima de 38 cm și a se întinde la maxim 32 de cm cu efectorul finl capabil să se deschidă la maxim 3,8 cm. Miscarea unghiulară maxima lafiecare axă este de aproximativ de grade, cu greutatea robotului fără baterii de 600 de grame și capaciatea de incarcare de aproximativ 250 de grame . Precizia ridicată a robotului vine de la controler SSC32 identic cu cel de la robotul AS -6D0F care împreună cu servomotoarel Hitec reusește să aibă o precizie de grade. Robotul se alimetează de la o tensiune de 6 voltți cu un consum de maxim 4 amperi.

Desemnea rigiditatea robotului este mare datorită structuri sale din Lexan debitat cu laser, și batiuri de aluminiu pentru servomotoare. Robotul foloseste cinci sermomotoare Hitec HS-422 pentru acționarea cupleor sale și un HS -81 pentru acționare efectoruui final.

Controlul robotului se face cu ajutorul un soft pe calculator RIOS (Robotic arm Interactive Operating System) sofware care permite controlul brațului de pe calculator. În caul în care dorim funcționarea autonomă a robotului cosul sursă poate fi creat cu ajutorul sofware-lor Bot Board, Basic Atom și Basic Stamp. Deasemenea cu ajutorul ultime versiuni RIOS și un senzor GP2D12 se poate face captură de imagine 3D.

Prețul acestui kit este unul avantajos fiind la doar 300$ de dolari, luând în considerare spațiul de lucru mai mare, precizia și rigiditte mai mare, și software mul mai avansat fașă de restul kiturilor.

3. Scopul si obiectivele lucrari de licenta

3.1.definirea scopului

3.2. Obiectiv principal

3.3. Obiective secundare

4. Alegerea schemei cinematice pentru robot

4.1. Analiza schemelor cinematice

Pentru alegerea schemei cinematice pentru robot va trebui să avem în considerare mai multe aspecte. Anume mobilitatea oferită de structura acestuia, spațiul de lucru cu o acoperire cât mai bună, dimensiunile acestuia si aptiul ocupat de corpul lui, astfel ca să avem un siistem mecanic cu mobiliateta ridicata pentru eviatre de obstacole și poziționare în poziții complexe, și desigur și spațiul ocupat de corpul robotului să fie cât mai mic.

În introducere am vazut că sistemul mecanic al unui robot este alcătuit din dispozitivul de ghidare sau altfel spus mecanismul generator de traiectorie și mecanismul de orientare. Desigur cum că noi urmărim să creăm un robot cu patru grade de libertate putem considera structura acestuia în felul următor, primele trei cuple ale robotului vor face parrte din mecanismul generator de traiectorie și ultima cupla va avea rolul mecanismului de orientare.

Pentru alegerea structuri corecte vom analiza prima dată structurile mecanismelor generatoare de traiectorie care sunt folosite în momentul de față anume TTT(transalție, translație, translație), RTT(rotație, translație,translație), RRT(rotație, rotație, translație) și RRR (rotație, rotație, rotație), la care vom adăuga și mecanismul de orientare adică cea de a patra cuplă de rotație.

Mecanismul TTT R are în componența ei trei cuple de translație care ne descriu mecanismul generator de traiectorie al acestuia și una de rotație care ne formează mecanismul de orientare , spațiul de lucru descris de punctele în care el poate să ajungă este de forma unui paralepiped, vezi figura 11, el purtand numele de robot cartezian. Această structură conferă o rigiditate ridicată robotului astfel că el este capabil să lucreze cu capacițăți mari de încărcare. Desigur cu cea de a 4 cuplă atunci avem un robot capabil să poziționeze pieasa de lucru în orice orientare pe perpediculară cu cea de a treia cuplă de translație în spatiul său de lucru. Observăm totuși că în practică acestă structură este utilizată la mașinile cu comandă numerică pentru prelucrare de semifabricate, și ca și macarele pe santiere navale sau în manipulare de obiecte, totodată forma structuri mecanice ne sugereaza un robot care ocupă mult spațiu și este greu de repoziționat, o altă observație pe cae o putem face este faptul că el nu poate opera într-un mediu cu obiecte complexe în interiorul spațiului său de lucru, el fiind capabil să evite doar forme simple, robotul nu poate situa semifabricate în poziți mai grele de atins. Astfel că structura nu oferă o soluție pentru structra mecanică a conceptului nostru.

Mecanismul RTT R are în componența ei o cuplă de rotație și două de translație ce formează mecanismul generator de traiectorie și desigur cea de a patra cuplă de rotație care formează mecanismul de orientare. Spațiul de lucru pe care aceste structură cinematică o descrie este de formă cilindrică astfel că roboți cu acest mecanism poartă numele de roboți cilindrici.

Roboți de acest fel pot fi configurații în două feluri în funcție de orientare final pe plan orizontal sau vertical, în cazul de față vom alege configurația cu orientare pe plan vertical pentru a spori flexibilatea robotului vezi figura 12. Cu această structură avem roboți de manipulare care se folosesc în paletizare de semifabricate, manipulare de stocuri și operați de ,,pick and place” ele find din nou limitate de cuplele de translație cea ce nu permit prezența foarte mare a unor obiecte în spațiul de lucru în jurul căruia robotul trebui să manipuleze semifabricatele. Putem observa că robotul este capabil să poziționeze și să orienteze în mod similar cu structura TTT R anume el poate evita obstacole simple dar nu poate opera întrun spațiu de lucru cu obstacole complexe desemenea nu este capabil să poziționeze semifabricatul în poziții greu de atins. Astfel că nici acest sistem nu este practic conceptului nostru.

Figura 1 Schema cinematică robot RTTR cu spațiul de lucru

Mecanismul RRT R are în componența ei mecanismul genenrator de traiectorie anume primele trei cuple și mecanismul de orientare ea fiind reprezentată de cea de a patra cuplă. Spațiul de lucru decris de acest robot este în formă de sferă de aeea roboți cu această structură poartă numele de roboți sferici vezi figura 13.

Acest tip de robot ne conferă deja o flexibiliate mare când vine vorba de aplicațiile în care poate fi folosit anume el este capabil să efectuee toate operațiile prezentate la mecanismele de mai sus dar cu capacitatea de a evita obstacole mai complexe și de a pozționa semifabricatul în poziții care nu erau posibile celolalte structuri mecanice. Deci putem spune că această structură este aproapre de structura ideală pe care o dorim dar observăm că cupla de translație ne impune unele neajunsuri în anumite situații de poziționare a robotului astfel că nici ea nu se ptriveste cu conceptul dorit.

Mecanismul RRR R are în componența doar cuple de rotație primele trei desigur formeaza mecanismul generator de traiectorie și ultimul reprezintă mecanismul de orientare. Spațiul de lucru pe descris de acest mecanism este tot unul sferic dar forma acestuia depinde foarte mult de dimesiunile mecanismului.Roboți care au in structura lor acest tip de mecanism se numesc roboți articulați vezi figura 14.

În acest caz observăm că acest tip de mecanism este cel mai des întalnit în domeniul roboților industriali, el fiind cel mai avantatjos din punc de vedere al spațiul pe care îl ocupă și în funcție de asta a marimi spațiului de lucru, desemnea oferă flexibilitatea cea mai mare în aplicațiile în care poate fi utilizat și desigur oferă cel mai bun aces chiar și în spații de lucru încarcate cu obstacole mai complexe.

Putem considera astfel că acest mecanism ne satiface cel mai bine cerințele pentru sistemul robot considerat.

4.2. Analiza cinematica de ordin 0 directă și inversă

Pentru analiza cinematica a sisitemului vom avea nevoie de matricile de transformare omogenea a Robotului RRRR, pentru decurerea matricelor de transformare omogenă vom stabili sitemele de coordonte legate de fiecare element în parte pe baza conveției Denawit-Hartenberg, astfel încât sistemul de coordonate să reprezinte baza robotului și sistemul de coordonate reprezintă efectorul final.

În vederea determinari modelului geometric al robotului nostru figura 15, vom începe să stabilim un sistem de cordonate legate de fiecare cupla în parte. Pentru stabilirea sistemelor vom considera cuplele consecutive ale robotului ca fiind i-2, i-1, i.

Figura 2 Schema cinematică a mecaniamului considerat pentru robotul RRRR

Conveția Denawit-Hartenberg constă în alegerea axei Zi-1 pe axa cuplei cinematice care leaga elementul i-1 de elemntul 1, alegerea axei Xi-1 legat de elementul i-1 ea fiind perpendiculara comună a lui Zi-1 și Zi-2 direcționat de la Oi-2 la Oi-1, La fel vom alege și axa Xi ea find perpendiculara comună a lui Zi-1 și Zi direcționat de la Oi-1 la Oi. Punctele de intersecție ale perpedicularei comune cu axa cuplei (Oi-2 și Oi-1) reprezentând originea sistemului de coordonate ales cu sensul pozitiv de la axa cu indice mai mic la axa cu indice mai mare. Cuplele le vom denumi în fucție de cifra mai mare a elementului care o formeaza, OY va fi ales astfel încât să formeze un triedu cu celelalte axe. Putem observa că cu regulile conveției Denawit-Harteneberg ne dau libertatea de a ne alege originea O0 oriunde în baza rovotului a primului sisitem de coordonate astfel încât axa Z0 să coincida cu axa primei cuple cinematice. Desemenea sisitemul de coordonate al efectorului final poate fi pus oriunde în capatul robotului cât timp axa X4 este perpediculară pe Z3.

După determinarea modelului geometric urmează să determina mrelațiile matriceale de trecere de la un sistem de coordonate de la baza robotului la sistemul de coordonate legat de capatul robotului sau cel al efectorului final. Pentru a descrie matematic trecerea de la un sistem la altul vom folosi matricile de transfomare omogenă. Luând în considerare faptul că trecerea de la un sistem la altul presupune o serie de transformări de translație și de rotați, putem scrie formele particulare a matriciloe de transformare care indică numai o rotație în jurul unei axe de coordonate, acestea poartă denumirea de matrici de transformare omogenă de bază.

Pentru o rotație în jurul axei X cu unghiul:

Ecuație 1

Pentru o rotație în jurul axei Y cu unghiul:

Ecuație 2

Pentru o rotație în jurul axei Z cu unghiul:

Ecuație 3

Pentru translația de a lungul axei X cu mărimea a;

Ecuație 4

Pentru translația de a lungul axei Y cu mărimea b;

Ecuație 5

Pentru translația de a lungul axei Z cu mărimea d;

Ecuație 6

Cunoscând matricile de transformare omogenă elementare de rotație, putem începe să scriem matricile de transformare omogenă pentru sistemul nostru robot de tip RRRR, pentru a le putea determina pe acestea ne vom folosi de faptul ca sistemul este atașat bazei robotulu și sistemul este atașat efectorului final al robotulu, pe baza relațiiloe de matrici de trcere omogene particulare și urmărind figura 16, scriem matricilie de transformare omogenă pentru fiecare cuplă în parte, variabilele relațiilor vor fi unghiuurile , , , , Deasemenea vom putea calcula matricea de trasfer omogenă care este forma matematică a treceri de la sistemul de coordonate fixe la sisitemul de coordonate al efctorului final.

Ecuație 7

Ecuație 8

Ecuație 9

Ecuație 10

Ecuație 11

Matricea de transformare omogenă corepunzătoare mecanismului generator de traiectorie ecuația 13;

Ecuație 12

Ecuație 13

Am calculat deci matricile de transfer omogen pentru sistemul robot cosiderat și am vazut că pentru obținerea matricei de transformare omogenă a efectorului final se obține conform relației 14;

Ecuație 14

Unde elementele sunt defapt expresiile trigonometrice în care intervin unghiurile de rotație sau lungimile de translație aferente fiecărei cupel de traslație sau de rotație. Matricea infară faptului că ne indică trecerea de la sistemul de coordonate legat de elementul 0 la siistemul de coordonate legat de elelemntul 4, el ne indică și situarea efectorului final față de baza robotului și față de sistemul de coordonate fix considerat. Mai jos avem relațiile care reprezintă matrcile de transformare omogenă pentru mecanismul de orientare și a mecanismului generator de traiectorie conform ecuațiilor 15 și 16.

Ecuație 15

Ecuație 16

Conform matricii de situare observăm că ne rezultă următoarea egalitatea vezi ecuația 17;

Ecuație 17

Unde sunt componetele vectorului de poziție al punctului caracteristic și sunt compoentele versorilor care ne arată orientarea obiectului în raport cu cordanetele fixe .

În cazul de față se disting 2 situații primul este cel în care cunoațtem valorile translațiilor și a rotațiilor de la cupla 1 la cupla 4, anume cunoaștem exact cu cât sa comandat fiecare motor pentru mișcarea robotului astfel că putem calcula elemntele matricilor și inclusiv elementele matricilor de trasformare și . Din ecuația 7 ne rezulță elementele pentru și se valorile , astfel determinăm poziția și orientarea obiectului manipulat față de sisitemul de coordonate legat la baza robotului. În majoritatea cazurilor vom întalni situația ăn care cunoaștem poziția în care vrem să aducem efectorul final întro etapă a procesului, adică stim pozițiile tuturor cuplelor și trebuie să determinăm cu cât trebuie comandat fiecare motor pentru a ajunge în poziția țintă.

4.2.1. Analiza cinematică de ordin zero directă al robotului RRR

Pentru rezolvarea probelmei de cinematică directă se parcurg următori pași: se deduc matricile de trecere coform ecuațiilor 7 -11 se calculează matricile de transformare și conform ecuațiilor 15-16. Se înmulțesc cele două matrici și se obține matricea de transformare omogenă , conform ecuației 17 egalăm termen cu termen.

=

=

Ecuație 18

Din ecuația 18 ne rezultă valorile anume :

Aceastea reprezentând soluțiile problemei de analiză de ordin zero direct pentru cazul robotului RRRR.

4.2.2. Analiza cinematică de ordin zero inversă al robotului RRR

5.Conceptia constructivă a sistemului mecanic

6. Alegerea componentelor sistemului de actinoare

7. Realizarea sisitemului de conducere a robotului,

(2 pasi la nivel de axa si la nivel global folosind 3 )

8. Validarea functionari sistemului robot

9. Concluzii

10. Bibliografie

Radu Țarcă Cătalin- Introducere în Robotică, Editura Universității din Oradea, 2013.

Ioan I. Pop și Mircea Bocea – Roboți Industriali Editura Dacia Cluj-Napoca 1985

Barabas Tiberiu și Vesselenyi Tiberiu – ROBOTICĂ Conducerea și programarea roboților industriali, Editura Universității din Oradea, 2014.

http://www.rethinkrobotics.com/products/baxter/

http://rr-web.s3.amazonaws.com/assets/Baxter_datasheet_5.131.pdf

http://en.wikipedia.org/wiki/Robot

http://en.wikipedia.org/wiki/International_Federation_of_Robotics

http://en.wikipedia.org/wiki/Industrial_robots#History_of_industrial_robotics

http://www.dira.dk/media/9379/def._af_robottyper.pdf

http://www.metralabs.com/index.php?option=com_content&view=article&id=77&Itemid=59

http://www.engadget.com/2013/05/04/columbia-university-robotic-arm-controlled-by-facial-muscles-hands-on-video/

Low-cost robots like Baxter, UR5 and UR10 successfully entering small and medium enterprises (SMEs)

http://www.expo21xx.com/automation21xx/20404_st2_robotics/default.htm

http://www.3ders.org/articles/20140501-3d-printing-with-flx-arm-a-low-cost-precision-scara-robot-arm.html

http://www.wired.com/2014/03/kickstarter-robot-arm-ufactory/

http://www.abb.com/cawp/abbzh254/8657f5e05ede6ac5c1257861002c8ed2.aspx

http://www.fluxintegration.com/

http://www.owirobots.com/store/catalog/robotic-arm-and-accessories/owi-535-robotic-arm-edge-kit-110.html

http://www.thinkgeek.com/product/b696/?i=front

http://www.kuka-labs.com/en/service_robotics/lightweight_robotics/

http://www.universal-robots.com/GB/Products.aspx

http://www.bizoner.com/arduino-6-dof-programmable-clamp-robot-arm-kit-ready-to-use-p-238.html

http://www.mhobbies.com/arduino-robot-arm-as-6-dof-aluminium-clamp-claw-mount-kit-with-servos-and-32-road-servos-controller.html

http://www.robotbuy.ca/products/Lynxmotion_SESAC_KT_SES_Alum_Arm_Combo_Kit_for_PC_serial-246-0.html

10. Bibliografie

Radu Țarcă Cătalin- Introducere în Robotică, Editura Universității din Oradea, 2013.

Ioan I. Pop și Mircea Bocea – Roboți Industriali Editura Dacia Cluj-Napoca 1985

Barabas Tiberiu și Vesselenyi Tiberiu – ROBOTICĂ Conducerea și programarea roboților industriali, Editura Universității din Oradea, 2014.

http://www.rethinkrobotics.com/products/baxter/

http://rr-web.s3.amazonaws.com/assets/Baxter_datasheet_5.131.pdf

http://en.wikipedia.org/wiki/Robot

http://en.wikipedia.org/wiki/International_Federation_of_Robotics

http://en.wikipedia.org/wiki/Industrial_robots#History_of_industrial_robotics

http://www.dira.dk/media/9379/def._af_robottyper.pdf

http://www.metralabs.com/index.php?option=com_content&view=article&id=77&Itemid=59

http://www.engadget.com/2013/05/04/columbia-university-robotic-arm-controlled-by-facial-muscles-hands-on-video/

Low-cost robots like Baxter, UR5 and UR10 successfully entering small and medium enterprises (SMEs)

http://www.expo21xx.com/automation21xx/20404_st2_robotics/default.htm

http://www.3ders.org/articles/20140501-3d-printing-with-flx-arm-a-low-cost-precision-scara-robot-arm.html

http://www.wired.com/2014/03/kickstarter-robot-arm-ufactory/

http://www.abb.com/cawp/abbzh254/8657f5e05ede6ac5c1257861002c8ed2.aspx

http://www.fluxintegration.com/

http://www.owirobots.com/store/catalog/robotic-arm-and-accessories/owi-535-robotic-arm-edge-kit-110.html

http://www.thinkgeek.com/product/b696/?i=front

http://www.kuka-labs.com/en/service_robotics/lightweight_robotics/

http://www.universal-robots.com/GB/Products.aspx

http://www.bizoner.com/arduino-6-dof-programmable-clamp-robot-arm-kit-ready-to-use-p-238.html

http://www.mhobbies.com/arduino-robot-arm-as-6-dof-aluminium-clamp-claw-mount-kit-with-servos-and-32-road-servos-controller.html

http://www.robotbuy.ca/products/Lynxmotion_SESAC_KT_SES_Alum_Arm_Combo_Kit_for_PC_serial-246-0.html