Domeniile ce concură esențial la formarea produselor mecatronice actuale sunt: [301665]

Licență

Domeniile ce concură esențial la formarea produselor mecatronice actuale sunt: [301665]

Byadmin ianuarie 1, 2024

Introducere

Conceptul mecatronic și filozofia mecatronicii sunt într-o copatibilitate tehnică și tehnologică exprimată prin sinergia elementelor și componentelor în sisteme și micrositeme inginerești cu acțiuni informaționale complexe și decizionale.

Domeniul Mecatronicii presupune aplicarea sinergetică a [anonimizat], automaticii și calculatoarelor în dezvoltarea sistemelor și produselor electromecanice printr-o abordare a proiectării integrată. Un sistem mecatronic cere o [anonimizat].

Domeniile ce concură esențial la formarea produselor mecatronice actuale sunt:

Mecanica

Electronica

Informatica

Senzorica

Electrotehnica

Mecatronica are un impact major în:

• Industria auto

• Industria produselor de larg consum

• Industria constructoare de mașini

• Robotică

• Biomedicină

• Sisteme de control

Topica domeniului mecatronică include:

• Elemente și transmisii mecanice

• Senzori și traductoare

• Sisteme de acționare

• Sisteme de conducere

• [anonimizat]

• [anonimizat], [anonimizat] a copia și de a se apropia de modele din lumea vie. [anonimizat]: [anonimizat], [anonimizat] o structură mecanică mai mult sau mai puțin complexă. [anonimizat].

Rezumatul lucrării:

În această lucrare de licență am prezentat studiul și proiectarea unui sistem de prehensiune a unor piese cilindrice.

În primul capitol sunt prezentate aspecte generale privind domeniul mecatronicii și roboticii cu referire la sistemele de prehensiune.

Capitolul doi este axat pe domeniul roboților mobili autonomi și prezintă aspecte privind tehnica de realizare a lor. Sunt tratate sistemele de navigare și senzoriale specifice.

În capitolul trei am prezentat robotul mobil CyberTech care a participat la concursul “Eurobot”, ediția 2015. [anonimizat] a fost conceput și realizat robotul în vederea participării la acest concurs.

[anonimizat] o simulare a sistemului și o certificare a calculelor.

Lucrarea se finalizează cu concluzii și bibliografia aferentă.

Abstract:

In this paper I presented the study and design of a gripping system of cylindrical parts.

In the first chapter there are presented general aspects of mechatronics and robotics with reference to gripping systems.

Chapter two focuses on the field of autonomous mobile robots and shows aspects of their realization technique. There are treated navigation systems and specific sensory.

In chapter three I presented the mobile robot CyberTech which participated in the "Eurobot" contest, edition 2015. [anonimizat].

In chapter four I [anonimizat] a simulation of the system and a certification for the calculations.

The paper ends with conclusions and bibliography.

Capitolul 1

Generalități despre sistemele mecatronice și robotice

Mecatronica

Mecatronica este percepută ca un domeniu tehnic interdisciplinar în care se folosesc metode din ingineria mecanică, ingineria electrică și din știința calculatoarelor pentru a proiecta, produce și utiliza produse cu preț scăzut sau/și raport preț/performanțe scăzut.

Există mai multe definiții pentru Mecatronică:

• Mecatronica = combinație sinergetică de discipline care concură la proiectarea produselor și proceselor.

• Sistemele mecatronice = sisteme mecanice înzestrate cu sisteme senzoriale, sisteme de acționare, sisteme programabile de conducere și sisteme de comunicație.

• Mecatronica presupune aplicarea celor mai moderne tehnici din ingineria mecanică de precizie, din electronică, din automatică, din știința calculatoarelor și din inteligența artificială pentru a proiecta procese și produse performante.

• Mecatronica presupune un echilibru între nivelul teoretic al abordării și nivelul practic al implementării.

Sistemele de control ale sistemelor mecatronice sunt dependente de abilitatea de a:

• măsura,

• reprezenta (codifica),

• comunica,

• interpreta (decodifica),

• furniza (de exemplu afișa) date referitoare la dinamica variabilelor care sunt implicate în proces.

Senzorii sistemelor mecatronice:

– Senzori care măsoară interacțiunea sistemelor mecatronice cu mediul lor de operare;

– Senzori care măsoară variabile interne sistemelor mecatronice.

Subsistemul mecanic este partea sistemului mecatronic care asigură mișcarea și la care se atașează senzori. Senzorii convertesc informația specifică în semnale electrice.

Subsistemul electronic convertește aceste semnale în format numeric pentru ca acestea să poată fi folosite de subsistemul de conducere.

• O abordare mecatronistă poate fi mult mai benefică pentru proiectarea și dezvoltarea unui sistem electromecanic complex. Proiectarea unui sistem mecatronic presupune proiectarea și integrarea simultană a tuturor componentelor. O astfel de proiectare “concurentă” și integrată are nevoie de o abordare nouă a însuși procesului de proiectare și, de asemenea, o considerare formală a transferului de informație și energie între componentele sistemului. [29]

1.1.1 Sisteme mecatronice

• Un sistem mecatronic tipic conține un “schelet” mecanic, senzori, actuatori, controlere, dispozitive de prelucrare semnale, hardware digital/calculator, software, dispozitive de interfațare și surse de putere.

Fig. 1.1 Sistemul mecatronic ca sistem tehnic integrat

• De exemplu, un servomotor, care este un motor cu capacitatea de feedback senzorial pentru generarea cu acuratețe a mișcărilor complexe este constituit din componente mecanice, electrice și electronice.

Abordarea mecatronistă va avea ca rezultat o calitate mai bună a produselor și serviciilor, performanțe îmbunătățite, fiabilitate mai ridicată.

Produsele și sistemele mecatronice moderne includ automobilele și avioanele, dispozitivele electrocasnice inteligente, roboții, vehiculele spațiale. [29]

1.1.2 Structura hard a unui sistem mecatronic

Sistemul de programare a sarcinilor, generează mișcările dorite și secvențele acestora în concordanță cu cerințele sau comenzile transmise. Acest modul este materializat de microcontrolere.

Controlerul de secvețe și mișcare compară parametrii curenți ai mișcării cu cei impuși și realizează corecturile necesare. Cel mai des întâlnit algoritm de control este cel Proporțional-Integral-Derivativ (PID).

Amplificatorul de putere amplifică semnalul în concordanță cu cerințele actuatorului.

Actuatorul transformă semnalul corectat în semnal de intrare (moment, forță, viteză) în acord cu cerințele procesului;

Mecanismele și transmisiile mecanice realizează adaptarea parametrilor actuatorului la cerințele impuse de procesul tehnologic.

Senzorii prelucrează informații privind parametrii procesului și transmit semnale corespunzătoare spre controlerul mișcării.

Dispozitivul de condiționare a semnalelor cuprinde filtre, amplificatoare, etc. care, prelucrează semnalele în concordanță cu cerințele impuse de intrarea în controlerul mișcării.[27]

Fig. 1.2 Structura hard a unui sistem mecatronic

1.1.3 Componentele mecanice ale sistemelor mecatronice

Într-un produs mecatronic, mecanica joacă un rol vital, ce poate include suport structural, mobilitate, transmiterea mișcării, manipulare. Sistemul mecanic trebuie să fie proiectat (integrat cu partea electronică și de control) pentru a satisfice carecterisitici dorite precum greutate mică, rezistență mare, viteză mare, vibrații și zgomot redus, durată de utilizare mare, puține părți în mișcare, fiabilitate ridicată, preț de cost scăzut, întreținere rară și cu costuri reduse. În mod clar, aceste cerințe pot fi în conflict unele cu altele și este nevoie de o optimizare a proiectării.

Componentele mecanice obișnuite ale unui sistem mecatronic pot fi clasificate în câteva grupuri după utilitățile lor, precum:

– componente structurale (proprietăți de rezistență și de material/suprafață)

– componente de fixare (rezistența)

– componente de separare dinamică (transmisibilitate)

– componente de transmisie (conversia mișcării)

– actuatoare mecanice (cuplu/forța generată)

– controlere mecanice (distribuirea energiei controlate)

Actuatoarele mecanice sunt utilizate pentru a genera forțe (și cupluri) pentru aplicații diverse. Actuatoarele obișnuite sunt electromagnetice (ca tip, de exemplu motoarele electrice) și nu pur și simplu mecanice. Deoarece forțele magnetice sunt forțe “mecanice” care generează cupluri mecanice, motoarele electrice pot fi considerate ca dispositive electromecanice. Alte tipuri de actuatoare care utilizează fluide pentru generarea efortului cerut pot fi considerate ca fiind în categoria actuatoarelor mecanice. Exemple sunt: pistoanele și cilindrii hidraulici, motoarele hidraulice, echivalentul lor pneumatic, și unitățile de putere termică (motoarele primare) precum turbinele cu abur. De un interes particular în sistemele mecatronice sunt actuatoarele electromecanice și actuatoarele hidraulice și pneumatice.

Controlerele mecanice au ca sarcină modificarea răspunsului dinamic al sistemului mecatronic (mișcare și forță/cuplu) într-o manieră dorită. Pur și simplu controlerele mecanice realizează această sarcină prin distribuirea controlată a energiei. Acestea nu sunt atât de comune precum controlerele electronice/electrice și controlerele hidraulice/pneumatice. De fapt servovalvele hidraulice/pneumatice pot fi tratate în această categorie de controlere pur mecanice. Mai mult, controlerele mecanice sunt în legătură apropiată cu componentele de transmisie și actuatoarele mecanice. Exemple de controlere mecanice sunt ambreiajele și frânele.

Clasificările menționate ale componentelor mecanice sunt prezentate în figura alăturată.

Fig. 1.3 Componentele mecanice [29]

1.1.4 Sisteme de conducere în mecatronică

Fig. 1.4 Structura de conducere generală a unui sistem mecatronic

Sistemele numerice prelucrează informația pe baza unor modele matematice și a unor legi de control prestabilite și furnizează comenzile necesare pentru elementele de execuție ale sistemului pentru a asigura funcționarea dorită.

În procesul de proiectare a produselor mecatronice, este necesar să se mențină un echilibru între două activități. Pe de o parte, dezvoltarea de modele fizice și matematice, simularea numerică, proiectarea sistemelor de control analogice sau numerice sunt etape cu icrocon decuplate de sistemele reale. Utilizarea tehnicii de calcul susține în mod determinant această activitate de proiectare.

Pe de altă parte, validarea experimentală a modelelor și implementarea și testarea sistemelor fizice (a două dintre activitățile amintite), se bazează de asemenea, icrocont, pe utilizarea sistemelor logice și calculatoarelor.

Într-o ordine secvențială, în procesul de proiectare a sistemelor mecatronice, calculatoarele sunt folosite pentru a modela, analiza și simula componentele și sistemul mecatronic în ansamblu. Mai departe, sistemul de calcul, ca parte a sistemului de măsură, evaluează performanțele sistemului mecatronic, determină valorile parametrilor funcționali și validează modelele folosite. Proiectul final al sistemului de control este realizat tot folosind un calculator și programe specializate.

O arhitectură tipică de microcontroller este prezentată în figura de mai jos.

Fig. 1.5 Arhitectura microcontroller-ului [27]

Robotica – domeniu de vărf al mecatronicii

Robotul este întruparea noțiunii de “automatizare și control”, fiind un produs mecatronic. Termenul de "robot" a fost utilizat în 1917 pentru prima oară într-o nuvelă a scriitorului ceh Karel Capek. Cuvântul "robota" este cuvânt slav și înseamnă muncă manuală dificilă sau grea.

Roboții adevărați, așa cum îi cunoaștem astăzi, au apărut în 1954, când un inginer american, Joseph Engelberger, a depus la oficiul de invenții un patent numit "programmed article transport".

1.2.1 Definiții ale Roboților

La fel ca termenul "automatizare", termenul de "robot" este utilizat cu mai multe înțelesuri, în diferite contexte. Câteva definiții sunt date mai jos :

Roboții sunt dispozitive de mișcare cu mai multe axe, aplicabile universal. Mișcările și traiectoriile mișcării sunt liber programabile și, dacă este necesar, sunt ghidate de senzori. Roboții utilizează mâini mecanice, unelte sau alte dispozitive (numite în general end-effectors) pentru a executa manipulări mecanice sau alte funcții de producție.

În domeniul roboticii, cei mai interesanți roboți sunt numiți "roboți inteligenți". Ei ar trebui să fie capabili să manipuleze obiecte în lumea reală și să reacționeze la evenimente externe. În plus, ei trebuie să fie flexibili, de exemplu să-și modifice comportamentul. Forma și mărimea robotului nu are importanță în stabilirea faptului dacă este sau nu inteligent. Cel mai important criteriu este multitudinea de senzori folosiți de robot.

Caracteristici:

Principalele caracteristici ale roboților industriali se pot grupa în mai multe categori:

Geometrie

Spațiu de lucru

Configurația articulațiilor

Numărul de grade de libertate

Încărcătură

Capacitatea de încărcare/ Încărcarea nominală – greutatea uneltei + greutatea piesei manipulate

Robotul poate mișca acestă încărcătură fără restricții de viteză și accelerație (conform cu datele limită date de producător)

Încărcarea utilă = Încărcarea nominală – Greutatea uneltei.

Cinematica

Viteza și accelerația

Viteza pe traiectorie

Viteza uneltei într-o mișcare liniară ( viteza TCP – Tool Center Point)

Timpul de mișcare

Precizia

Repetabilitate

Precizia de poziționare

Controller

Hardware

Software

Interfață

Programare

Tendințe de dezvoltare ale roboticii: [28]

a) ROBOȚI INDUSTRIALI 1960

– mediu structurat

– obiecte situate în puncte de precizie ale mediului

– sarcini predefinite prin program

– executarea automată de programe explicite

b) ROBOȚI de PRESTĂRI SERVICII 1984

– model al universului bazat pe prelevate din mediu

– percepție artificială

– procesare informațională multisenzorială

– programe implicite

– planificarea traiectoriei (traiectorie dinamică)

c) ROBOȚI PERSONALI 2003-

– capacități de comunicare cu mediul

– utilizare de modele pentru înțelegerea mediului

– planificarea automată a întregului program

– funcții de supraveghere a întregii activități

– creșterea gradului de autonomie ale roboților

– scăderea gradului de structurare al mediului

Fig. 1.6 Tipuri de roboți

1.2.2 Clasificarea roboților

În funcție de mediul în care robotul operează, se disting trei categorii:

– Roboți tereștri;

– Roboți marini;

– Roboți zburători.

În funcție de utilizarea lor, roboții pot fi:

– Roboți industriali;

– Roboți casnici;

– Roboți militari;

– Roboți exploratori;

– Roboți de companie (robot umanoid);

– Roboți de divertisment (jucării, roboți utilizați în competiții etc.).

Din punct de vedere al gradului de libertate există două categorii:

– Roboți ficși;

– Roboți mobili.

Din punct de vedere al sistemului de locomoție, roboții mobili pot fi:

– Roboți cu roți;

– Roboți cu șenile;

– Roboți pășitori;

– Roboți târâtori.

1.2.3 Structura robotului

Robotul se consideră ca un sistem de rangul R, compus din subsisteme de rang R-1.

Structura unui robot este prezentată în figura 1.7.

Fig. 1.7 Structura generală a unui robot [28]

Sistemul mecanic este compus din mecanisme, care asigură mișcarea efectorului final în situările sale pe traiectoria programată. Platforma mobilă se regăsește numai în structura roboților mobili. Sistemul mecanic preia forțele generalizate ce acționează din mediu asupra robotului.

Sistemul de acționare impune mișcarea relativă a elementelor mecanismelor sistemului mecanic. Sistemul de acționare are ca și componente câte un element de acționare pentru fiecare cuplă cinematică conducătoare a mecanismelor sistemului mecanic.

Sistemul de energizare a fluidului se utilizează la roboți în cazul sistemelor de acționare hidraulice, respectiv pneumatice cu compresor propriu, deci a celora care folosesc ca purtător de energie un fluid.

Sistemul de comandă prelucrează informațiile despre starea mediului (externo – percepție) și despre starea interioară a robotului (proprio – percepție) și emite, în conformitate cu aceste informații și propriul program, comenzi către sistemul de acționare. Senzorii și traductoarele sunt elemente de inteligență artificială ce culeg informații (senzori culeg informații care nu sunt legate de deplasări – provenite din mediu – iar traductoarele culeg informații legate de deplasări ale subsistemelor robotului). Sistemul de conducere al robotului, reunește sistemul de comandă, sistemul de acționare și elementele de inteligentă artificială.

Sarcina principală a sistemului de comandă este de a transpune programele de aplicație în mișcări relative al elementelor cuplelor cinematice conducătoare ale dispozitivului de ghidare.

Comanda mișcării este prima sarcina a sistemului de comandă și constă în:

a) coordonarea și supravegherea (controlul) mișcării efectorului final prin situările programate, sau a punctului caracteristic M pe traiectoriile programate;

b) sincronizarea desfășurării mișcărilor robotului cu evenimentele care au loc la periferia robotului prin prelucrarea semnalelor externe preluate din procesul de producție (mașini unelte, dispozitive de lucru etc.)

c) prelucrarea datelor de la senzorii externi (sisteme de prelucrarea imaginilor) și transpunerea rezultatelor prelucrate în reacțiile dorite.

Programele de aplicație arată într-o formă interpretabilă sarcinile pe care le are de executat robotul. Aceste programe au fost concepute „on-line” de către un programator, care de cele mai multe ori a folosit dispozitivul de ghidare și sistemul de comandă al robotului, în regim de instalație de teleoperare. De aceea se impune a doua sarcină a sistemului de comandă și anume programarea robotului. Prin programarea robotului se realizează în primul rând dialogul cu operatorul uman, căruia i se pun la dispoziție comenzile și funcțiile pentru conceperea, corectarea și testarea programului de mișcare, precum și dispozitivele de: introducere, scoatere și arhivare a programului.

Sarcinile sistemului de comandă sunt realizate de cele două componente ale sale:

a) subsistemul hardware bazat pe microprocesor;

b) subsistemul software.

În cazul sistemelor de comandă moderne are loc o conlucrare a celor două componente permițând:

a) comanda manuală a robotului;

b) comanda automată a robotului;

c) comanda adaptivă a robotului;

d) inițializarea robotului (aducerea lui în poziția de referință);

e) programarea robotului, testarea și corectarea programelor.

1.2.4 Sisteme de acționare ale roboților

Sistemul de acționare cuprinde totalitatea elementelor generatoare de cupluri și/sau forțe din structura sistemului robot, care asigură modificarea configurației structurii mecanice a robotului, în baza transformării energiei primare în energie mecanică. Sistemul de acționare realizează deplasarea axelor articulate din structura mecanică, pentru deplasarea terminalului pe o anumită traiectorie, în scopul îndeplinirii sarcinilor tehnologice (prinderea și deplasarea obiectelor, și/sau funcția tehnologică).

Sistemele de acționare a roboților se pot clasifica după:

– tipul mișcării generate: sisteme de acționare liniare, care dezvoltă o forță și generează o mișcare de translație paralelă cu sensul acestei forțe; și sisteme de acționare rotative, care dezvoltă un cuplu și generează o mișcare de rotație în jurul axei cuplului;

– natura sursei de energie: acționări electrice care utilizează ca energie primară energia electrică; acționări pneumatice care utilizează aerul ca sursă primară; și acționarile hidraulice care utilizează un fluid ca sursă primară.

Puterea specifică masică și capacitatea de accelerare sunt criterii care asigură o comparație obiectivă între diferitele tipuri de sisteme de acționare.

Puterea masică reprezintă raportul între puterea dezvoltată de acționare în regim staționar și greutatea proprie, exprimată în kW/kg. Poate atinge 0,5 până la 0,7 kW/kg pentru acționările electrice și între 2,5 până la 5 kW/kg pentru acționările hidraulice, de cele mai multe ori cu un randament mai mare de 0,9.

Capacitatea de accelerare reprezintă accelerația maximă care o poate furniza sarcinii sistemul de acționare, care dezvoltă un cuplu (forța) de accelerare: a = M/2IoptJm unde:

– M reprezintă efortul (cuplul sau forța) dezvoltat de acționare

– Iopt reprezintă raportul optim de transmitere a mișcării

– Jm reprezintă momentul de inerție al elementelor de pe arborele motor

Pentru acționările hidraulice care dezvoltă forțe (cupluri) importante la viteze mici, raportul optim de transmitere a mișcării poate fi în apropierea lui 1, iar momentul de inerție redus, ceea ce determină puteri de accelerare importante pentru acest tip de acționare. Aceste tipuri de acționări se adaptează bine roboților cu exigențe ridicate pentru capacitatea de sarcină și accelerare.

Acționările electrice funcționând la viteze ridicate, asigură cupluri (forțe) relativ reduse, ceea ce presupune utilizarea mecanismelor cu raport de reducere mare și deci limitarea în consecință a puterii de accelerare.

Sisteme de acționare electrică

Schema principială a unui sistem de acționare electrică este prezentată în figura 1.8. Sistemul se bazează pe un motor de acționare si are ca scop realizarea unui process tehnologic pe baza mașinii de lucru ML.

Fig. 1.8 Schema de acționare electrică [30]

Dependența realizată între parametrii dinamici reduși ai unei mașini și parametrii cinematici sau poziționali ai elementului de reducere se numește caracteristica mecanică a mașinii respective.

După natura parametrului dinamic redus, o forță "F" sau un moment "M", parametrul cinematic al elementului de reducere va fi viteza de translație "v" sau viteza unghiulară "ω". În același timp parametrul pozițional va fi o deplasare liniară "s" sau una unghiulară "".

Caracteristicile mecanice din categoria F =F(v) sau F =F(s) sunt specific mașinilor cu element de reducere în mișcare de translație. Caracteristicile mecanice M =M(ω) sau M =M() sunt specifice mașinilor cu elementul de reducere în mișcare de rotație.

Caracteristica mecanică motoare

În cadrul unui sistem de acționare din partea unui motor electric rotativ se solicită un anumit cuplu "Mm" la o anumită viteză unghiulară "ω" a rotorului (elementul de reducere). Dependența Mm = Mm(ω) reprezintă caracteristica mecanică motoare (c.m.m.) a mașinii electrice de acționare.

Caracteristicile mecanice ale unui motor electric de acționare se pot clasifica în:

• c.m.m. statică naturală

• c.m.m. statică artificială

• c.m.m. dinamică.

Caracteristicile mecanice statice reprezintă dependențele Mm = Mm(ω ) la o funcționare în regim stabilizat (ω = ct.).

Caracteristica mecanică statică naturală se obține cand la bornele de alimentare a mașinii electrice de acționare se aplică tensiunea nominală (valoare, frecvență și forma de variație în timp) iar în circuitul mașinii nu se găsesc intercalate alte elemente de circuit (reostate, bobine, condensatoare). Toate caracteristicile în regim stabilizat definite în alte condiții decât cele specificate anterior, se numesc caracteristici mecanice motoare artificiale (de ex. prin aplicarea unei alte tensiuni de alimentare decât cea nominală).

Caracteristica mecanică dinamică a unei mașini de acționare reprezintă totalitatea punctelor de funcționare definite prin valorile momentane ale coordonatelor (M, ω) în timpul unui proces tranzitoriu.

1.2.5 Reglarea poziției servomotoarelor de current continuu

Sistemul de control reprezintă componentele ce lucrează împreună sub îndrumarea unei inteligente artificiale. În majoritatea cazurilor, inteligența este furnizată de circuitele electronice și componentele electromecanice (senzori, motoare) ce furnizează interfața cu lumea fizică.

Fig. 1.9 Sistem de control [30]

Sistemele cu buclă deschisă sunt potrivite în aplicațiile unde actuatorii execută operații repetabile și sigure. Releele și motoarele pas cu pas sunt dispozitive cu caracteristici ce prezintă un grad de siguranță în control. Actuatori cum sunt motoarele și droselele sunt folosite uneori în sisteme cu buclă deschisă, dar trebuiesc reglate/calibrate la intervale regulate de timp, pentru a fi siguri că execută operații corespunzătoare.

Într-un sistem cu buclă închisă, ieșirea procesului (variabila controlată) este permanent controlată de un senzor, cum este arătat în figura următoare. Senzorul ia câteva probe de la ieșirea sistemului și convertește această măsurătoare într-un semnal electric, ce este adus înapoi la controler.

Fig 1.10 Controlul procesului cu buclă de reactive [30]

Deoarece controlerul știe de fapt ce acțiune realizează sistemul, poate face câteva ajustări pentru a readuce ieșirea sistemului la valoarea necesară. Trecerea semnalului de la controler către actuator formează calea directă, iar trecerea semnalului de la senzor către controler este calea de reacție, calea inversă.

Înaintea controlerului se găsește un comparator. Acesta efectuează o operație de scădere dintre semnalul de referință și semnalul primit de la senzor. Astfel, ia naștere semnalul de eroare al sistemului.

Controlerul poate utiliza o strategie de control mai simplă sau mai complexă pentru a minimiza această eroare a sistemului.

a. b.

Fig. 1.11 Controlul poziției: a) fără buclă; b) cu buclă de reacție [23]

Caracteristica de auto-corecție a controlului prin bucla închisă determină alegerea acestui mod de control în locul controlului prin buclă deschisă în multe aplicații, chiar dacă există componente electronice adiționale. Se întâmplă acest lucru pentru că sistemele cu buclă închisă furnizează performanțe sigure și repetabile chiar atunci când componentele sistemului însuși nu au caracteristici absolut precise sau repetabile.

Comanda servomecanismului funcție de unghiul de rotație Δθ presupune utilizarea unui traductor adecvat.

Dacă servomotorul de acționare este de c.c. atunci semnalul din bucla de reacție trebuie să fie tot continuu. În cazul în care se utilizează un traductor de poziție în curent alternativ semnalul trebuie demodulat pentru a se obține un semnal echivalent continuu.

Semnale PWM

Pentru a controla turația motoarelor de curent continuu există mai multe metode. Cea mai simplă ar fi înserierea unui rezistor variabil în circuitul de alimentare al motorului. Prin

modificarea valorii rezistenței se modifică tensiunea aplicată motorului. Variația tensiunii nu este proporțională cu variația rezistenței ci depinde și de curentul absorbit de motor. Această metodă nu este eficientă, având în vedere faptul că se pierde foarte multă energie prin disipare de căldură.

Cea mai des utilizată metodă de control a turației este comanda cu impulsuri modulate în lățime PWM (Pulse Width Modulation).

Fig. 1.12 Metoda de control cu PWM [14]

Variația turației motorului se face prin creșterea sau micșorarea timpului în care semnalul de comandă are valoarea 1 logic (tON). Astfel la un factor de umplere de 100%, motorul are turația maximă, deci tON este maxim, iar tOFF este zero. La un factor de umplere de 50 %, motorul are jumătate din turația nominală deci tON = tOFF. Iar la un factor de umplere de 0 % motorul este oprit deci tOFF este maxim, iar tON este zero.

Majoritatea microcontrolerelor pot genera semnale PWM. Pentru măsurarea timpului cât semnalul este în 1 logic și al timpului cât stă în 0 logic, se folosește un Timer.

Pentru a genera un astfel de semnal numărătorul este incrementat periodic și este resetat la sfârșitul fiecărei perioade a PWM-ului. Când valoarea numărătorului este mai mare decât valoarea de referință, ieșirea PWM trece din starea 1 logic în starea 0 logic (sau invers).

Traductoare de poziție

Traductoarele de deplasare și poziție au rolul de a sesiza cantitativ mișcarea din cuplele cinematice conducătoare ale roboților industriali și a echipamentelor periferice din sistemul de fabricație.

Trebuie să se facă distincție între deplasare și poziție. Deplasarea pune în evidență mișcarea în sine fără a oferi informații despre poziția elementului mobil față de un reper fix. În același timp poziția oferă informații despre situarea reperului mobil, atașat punctului mobil Pi+1, față de reperul fix considerat într-un punct P0.

Mărimea de ieșire din traductor și care oferă informația despre deplasare sau poziție este o mărime electrică:

analogică: traductoarele resolver, inductosyn, rezistiv, capacitiv;

numerică: traductoare în general electro-optice.

În marea majoritate traductoarele folosite în construcția roboților industriali sunt din categoria celor numerice. În unele cazuri deplasarea elementului mobil din componența cuplei cinematice nu poate fi sesizată prin cuplare directă fiind necesară intercalarea unui ansamblu cinematic între traductor și elementul mobil. Pot fi evidențiate astfel două posibilități:

– măsurare directă (MD);

– măsurare indirectă (MI.)

Din problematica realizării sistemului de măsurare și din datele tehnice pretense acestuia rezultă o serie de concluzii concrete cu privire la sistemul de măsurare. Se impune determinarea celei mai bune variante (MD/MI) și parametrii de legătură.

Măsurarea directă este cea mai simplă din punct de vedere tehnic, dar în unele cazuri nu poate fi aplicată fie din motive de gabarit, fie din motive de asigurarea preciziei de măsurare sau a celor economice. Traductoarele rotative de exemplu revin la un cost mai redus în comparație cu cele liniare.

Prin reducerea deformațiilor statice și dinamice, a jocurilor la mișcarea de rotație, în cazul cuplării directe se obțin preciziile cele mai ridicate. O importanță deosebită se impune modului de cuplare a traductorului la elementul în mișcare mai ales când se impune parcurgerea unei distanțe mari cu viteză mare.

Principiul de utilizare a unui traductor rezistiv de deplasare în buclă de reacție este sugerată în figura 1.13. Semnalul electric aplicat amplificatorului de putere este proporțional cu diferența de semnal impus și realizat:

Schema bloc pentru sistemul de calcul a erorii de poziție în curent continuu este prezentată în figura 1.13b, factorul de amplificare Kp incluzând atât sensibilitatea traductoarelor cât și amplificarea impusă de amplificatorul sumator "A".

Fig. 1.13 Traductor rezistiv de poziție [30]

Pentru traductoarele de poziție în c.a. schema bloc este prezentată în figura 1.12c, acesta comportându-se ca un element de întârziere de ordinul I.

Utilizarea unui traductor de poziție incremental impune folosirea unui numerator reversibil ca element de comparație, alimentat de două succesiuni de impulsuri (de referință primite de la calculator și de reacție de la traductor). Numărătorul se comport ca un element integrativ.

În cazul traductoarelor de deplasare rezistive potențiometrice (utilizate în peste 33 % din aplicații) erorile de neliniaritate sau a coeficientului de temperatură, zgomotele la tensiuni mici, erorile datorate contactului cursor – rezistor limitează utilizarea acestora. Pentru aceste traductoare utilizate la controlul unei mișcări liniare există relația:

unde:Ua este tensiunea de alimentare; Umin este valoarea minimă a tensiunii de ieșire; l este cursa traductorului; Rmin este valoarea minimă a rezistenței traductorului; R este rezistența maximă a traductorului.

În cazul mișcării de rotație, pentru traductoare rezistive, relația de legătură dintre deplasările liniare este (fig.1.14):

unde: rRI este raza de mișcare a RI; rc este raza cursorului traductorului.

Relația anterioară devine:

unde φmax este cursa maximă a traductorului.

Fig. 1.14 Traductor rezistiv de deplasare [30]

1.2.6 Sisteme de transmitere a mișcării în cazul roboților

Dispozitivele de transmitere a mișcării asigură transmiterea mișcării de la sistemul de acționare la elementele mobile din structura mecanică a robotului putând avea uneori și rol de elemente componente ale acestei structuri. Sunt elemente care determină creșterea masei în mișcare și introduc jocuri, frecări, elasticitate în articulații, ceea ce poate mari incertitudinea poziționării elementului terminal, sporind riscul apariției vibrațiilor. Restricțiile privind realizarea unei transmisii sunt determinate de:

– caracterisiticile acționării (cupluri, forțe, viteze)

– exigențele impuse obiectului în mișcare, prin limitele mărimilor cinematice (în mișcare de rotație și de translație)

– puterea mecanică transmisă elementului acționat

– o bună rigiditate a structurii și o inerție cât mai mică a maselor în mișcare de translație sau rotație, de maniera reducerii deformațiilor elastice, statice (efectul greutății) și dinamice (vibrații), de limitare a forțelor și cuplurilor necesare în faza de accelerare, maximizarea vitezelor critice și a pulsațiilor de rezonanță a elementelor elastic cât mai departe de zona vitezelor de lucru

– frecări cât mai mici în cuplele cinematice

– eliminarea jocurilor sau compensarea acestora

– asigurarea cel puțin a unei echilibrări statice parțiale, care să permită reducerea cuplurilor și forțelor de accelerare și efectul greutății asupra preciziei de poziționare și evitarea mișcărilor necontrolate la acționare defectuoasă.

Diversele restricții sunt contradictorii: creșterea capacității de accelerare solicită mase inerțiale reduse, deci elemente ușoare și prin urmare deformabile, în comparație cu creșterea pulsațiilor de rezonanță și reducerea deformațiilor elastice, care solicită elemente rigide de secțiune transversală și masa mare. Prestrângerile și predeformările utilizate pentru eliminarea jocurilor au ca efect creșterea frecărilor, ceea ce constituie încă o contradicție între frecări reduse și absența jocurilor.

Mecanismele de transmitere a mișcării transferă masele inerțiale ale unor elemente în raport cu altele. Dezavantajul principal al mecanismelor de transmitere este acela că înrăutățesc comportamentul dinamic al ansamblului prin greutatea proprie, introduc jocuri interne și frecări.

Din punct de vedere constructiv mecanismele de transmitere folosite în construcția manipulatoarelor și roboților pot fi:

– transmisii prin angrenaje cu axă fixă (reductoare cilindrice sau conice), sau cu axă mobilă (reductoare armonice), care transformă parametrii mișcării de rotație

– transmisii șurub-piuliță, care transformă mișcarea de rotație în mișcare de translație, fiind adesea utilizate pentru realizarea cuplelor de translație și echilibrarea statică a corpurilor în rotație (transmisiile trebuie montate în articulații în maniera de a permite mișcări relative ale diferitelor elemente unele în raport cu altele, dar au o mare sensibilitate la deformații și vibrații)

– transmisii prin curele, cabluri și lanțuri realizate cu roți și pinioane cu axe paralele, care transformă parametrii mișcării, utilizate de regulă la acționarea articulațiilor, în scopul echilibrării statice prin plasarea acționărilor spre bază și atunci când elementele mecanismului de transmisie sunt depărtate între ele

– transmisii prin pârghii articulate sub formă de paralelogram care asigură o bună rigiditate, elementele paralelogramului sunt componente ale structurii mecanice, iar solicitările sunt de tracțiune-compresiune

– transmisii cu cilindri hidraulici și pneumatici

O clasă de transmisii foarte mult utilizată în prezent în construcția roboților datorită avantajelor introduse, o reprezintă reductoarele armonice. Principalele avantaje ale reductoarelor armonice, semnificative la nivelul servosistemelor din cuplele cinematice ale roboților, care au nevoie de o bună precizie, pot fi sintetizate prin:

– precizie de poziționare inferioară unei deplasări unghiulare de 1 minut și repetabilitate de câteva secunde

– capacitate mare de transmitere a cuplului, datorită multiplelor angrenări ale danturii (transferă același cuplu ca reductoarele de două ori mai mari și de trei ori mai grele)

– joc natural nul, datorită unei prestrângeri naturale în angrenare

– raport mare de transmisie pentru o singură treaptă (50:1, … 320:1)

– randament bun (~0,85), uzură minimă și deci o durată mare de viață

1.2.7 Comanda mișcării robotului

Principala sarcină a unui robot este aceea de execuție automată a mișcărilor programate. Comanda mișcării robotului se realizează pe nivele ierarhice.

Fig. 1.15 Comanda robotului pe nivele [28]

Pe nivelul înalt se planifică mișcarea sistemului mecanic pe baza programului de aplicație și în acord cu informația senzorială și a traductoarelor. Pentru obținerea informațiilor din mediul de operare al robotului (externo – percepție) se folosesc senzori: tactili, de forță /moment, vizuali (camere video – CCD), auditivi (microfoane), de temperatură etc. Prin senzor se înțelege un dispozitiv care preia o anumită informație prin intermediul unui receptor, îl transformă într-un semnal , de obicei electric, prin intermediul unui convertor și îl transmite mai departe sistemului de comandă, eventual amplificat și prelucrat.

Pentru obținerea informațiilor despre stare internă a robotului (proprio – percepție) se folosesc traductoare care măsoară poziția și viteza generalizată, relativă a elementelor cuplelor cinematice conducătoare.

La nivelul mediu are loc generarea traiectoriei, adică se determină punctele de precizie prin care trece traiectoria punctului caracteristic între punctul START și punctul ȚINTĂ. Se realizează de asemenea o coordonare a mișcării axelor robotului (viteze și accelerații generalizată) astfel că aceste puncte să poată fi atinse.

La nivelul de bază, execuția mișcării, se controlează mișcarea relativă a elementelor fiecărei cuple cinematice conducătoare. Axele energetice aferente acestuia sunt controlate digital.

1.2.8 Sisteme de prehensare

Prehensiunea reprezintă interacțiunea dintre două corpuri, corpul care manipulează (robotul) și corpul manipulat (obiect-piesă), în vederea schimbării poziției acestuia față de un sistem de referință considerat fix.

Realizarea prehensiunii presupune realizarea a cel puțin trei funcțiunii: realizarea cuplării (contactul) cu obiectul manipulat, menținerea cuplării (contactului) și decuplarea (despicarea) obiectului adus în poziție finală, în condițiile menținerii integrității obietului manipulat.

Prehensorul este dipozitivul destinat îndeplinirii funcției de prehesiune.Pe lângă funcțiile de bază amintite, prehensonul poate îndeplinii și alte funcții cum ar fi : acționarea prin împingere, apăsare, agățare, ridicare, etc. Astfel de funcțiuni pot fi întâlnite mai ales în cazul automatelor jucării.

Îndeplinirea funcțiunilor principale ale prehensorului este condiționată de capa-citatea acestuia de a realiza forțele necesare reținerii ferme a obiectului manipulat. Direcția de acțiune a acestor forțe trebuie să fie cât mai apropiată de normala comună la suprafețele de contact dintre prehensor și obiect-piesă. După tipul forței de prehensare prehensoarele se pot califica în :

prehensoare mecanice

prehensoare cu vaccum

prehensoare electromagnetice

prehensoare speciale

a. b. c.

Fig. 1.16 Sisteme mecanice de prehensiune [23]

funcție de particularitățile constructive prehensoarele mecanice se pot clasifica în :

cu bare articulate – cu bacuri (fig. 1.16 a.)

antropomorfe (fig. 1.16 b.)

tentaculare (fig. 1.16 c.)

Sistemele de bare articulate (cu soluții constructive și de transmitere a mișcării diverse) oferă numeroase posibilități de prindere a obiectului-piesă (fig. 1.17).

Prehensoarele antropomorfe pot avea două, trei sau mai multe degete alcătuite din segmente interconectate prin cuple de rotație, denumirea acestora provenind de la gradul ridicat de similitudine cu mâna umană. Asfel de prehensoare permit obținea unor diverse configurații de prindere redate în figura 1.18 pentru un prehensor cu trei degete. Asigurarea menținerii contactului între prehensoare și obiectul-piesă precum și mărirea dexterității prehensoarelor a condus la construirea de către diverse firme a unor prehensoare antropomorfe polidactice cu trei degete.

Fig. 1.17 Tipuri de prehensoare cu bacuri [21]

Fig. 1.18 Configurații de prindere [21]

Degetele utilizate în construcția dispozitivelor de prehensiune pot fi rigide-constituind un corp unic, rigide – asamblate din mai multe corpuri, apoi pot fi legate între ele prin cuple cinematice de rotație (degete articulate), elastice si deformabile. Bacurile utilizate în construcția dispozitivelor de prehensiune sunt la rândul lor legate rigid de deget, articulate față de acesta, suprafețele de contact cu obiectul fiind invariabil plane, cilindrice, sferice, tronconice, neregulate oarecare sau cu geometrie variabilă. Îmbinarea bacurilor cu degete poate fi nedemontabilă sau demontabilă. În ultimul caz, bacurile se pot schimba în funcție de forma obiectelor care urmează a fi manipulate.

Unele degete si bacuri cu formă geometrică variabilă se adaptează la forma geometrică a obiectului manipulat (a suprafeței acestuia) si cu capacitatea de a "memora" forma geometrică

adoptată (degete si bacuri "instruibile"). Degetele constituite dintr-un corp unic rigide au forma unor bare dreptunghiulare sau curbe de diferite secțiuni. Degetele articulate conțin fiecare mai multe elemente rigide legate prin cuple cinematice de rotație, miscarea lor relativă fiind acționată de către elementul de acționare al dispozitivului de prehensiune într-un mod similar cum sunt acționate falangele degetelor umane, cu fire / cabluri tensoare – extensoare. Ca urmare, elementele componente ale degetului se vor dispune cu suprafețele lor tangente la suprafața obiectului manipulat, realizându-se contactul deget-obiect în mai multe puncte, cupla cinematică de clasa VI-a între acesta din urmă si dispozitivul de prehensiune închizându-se prin formă ("învăluire").

Situările relative ale elementelor degetelor se pot menține în timp prin inactivarea elementului care le acționează. În acest caz dispozitivul de prehensiune se "instruieste" pentru manipularea unor obiecte de formă geometrică identică cu forma primei piese prehensate. La schimbarea formei obiectului manipulat, situările relative ale elementelor degetelor se "uită" prin acționarea miscării lor relative. Degetele articulate nu poartă bacuri. În fig. 1.19 se prezintă prehensarea unui obiect cu un dispozitiv de prehensiune având degete articulate.

Fig. 1.19 Prehensarea unui obiect cu ajutorul unor degete articulate

Degetele elastice sunt constituite din lame metalice elastice. Se încadrează în această categorie acele degete care au la prehensarea obiectului, în zona bacurilor, o săgeată mai mare decât exactitatea de poziționare de repetabilitate a robotului din care face parte dispozitivul de prehensiune. Degetele elastice permit dispozitivului prehensarea unor obiecte ale căror forme si dimensiuni variază în limite restrânse (dispozitive de prehensiune universale). În cazul în care degetele elastice au la extremități săgeți de mărime comparabilă cu mărimile curselor generalizate ale extremităților degetelor rigide, dispozitivele de prehensiune cu asemenea degete nu au nevoie de mecanisme de prehensiune. Bacurile degetelor vor fi prevăzute în acest caz cu suprafețe înclinate. Reacțiunile care acționează de la obiect la degete pe aceste suprafețe "deschid" degetele înaintea prehensiunii. În fig. 1.20 se prezintă un dispozitiv de prehensiune cu două degete elastice.

Fig. 1.20 Dispozitiv de prehensiune universal cu două degete elastic

Capitolul 2

Roboți mobili autonomi

2.1 Generalități

Unul din obiectivele esențiale ale Roboticii este elaborarea roboților autonomi. Asemenea roboți ar putea accepta o descriere naturală – formală – (de nivel înalt) a sarcinilor de îndeplinit și executarea comenzilor fără alte intervenții umane. Descrierile necesare vor preciza ce dorește utilizatorul și nu cum să execute comenzile. Roboții capabili să îndeplinească aceste operații vor fi dispozitive mecanice versatile, echipate cu senzori de perceperea a mediului și aflate sub controlul unui sistem de calcul.

Robotul mobil este un sistem complex care poate efectua diferite activități într-o varietate de situații specifice lumii reale. El este o combinație de dispozitive echipate cu servomotoare și senzori (aflate sub controlul unui sistem ierarhic de calcul) ce operează într-un spațiu real, marcat de o serie de proprietăți fizice (de exemplu gravitația care influențează mișcarea tuturor roboților care funcționează pe pământ) și care trebuie să planifice mișcările astfel încât robotul să poată realiza o sarcină în funcție de starea inițială a sistemului și în funcție de informațile din mediul de lucru. [25]

Succesul în îndeplinirea acestor sarcini depinde atât de cunoștințele pe care robotul le are asupra configurației inițiale a spațiului de lucru, cât și de cele obținute pe parcursul evoluției sale.

Întrebări fundamentale ale roboților mobili:

Cine sunt?

Cum funcționez? → Anatomia și mobilitatea roboților

Ce este în jurul meu?

Interpretarea senzorilor: ce obiecte se află în vecinătatea robotului? → Roboți și percepția lor

Unde mă aflu?

Localizare: determinarea poziției pe o hartă (dată sau construită de către robot) → Roboți și localizarea lor

Unde trebuie să ajung?

Construirea hărții: cum se integrează informația primită de la senzori cu mișcările robotului? → Roboți și localizarea lor

Cum ajung la destinație?

Planificarea deplasării: stabilirea acțiunilor necesarea atingerii țintei propuse → Roboți și navigarea lor

Tipuri de roboți mobili:

Fig. 2.1. Sistemul Elmer și Elsie, primul robot mobil [25]

Robot hexapod Robot biped Robot mobil pe două roți

Roboți pe roți Roboți pe șenile

Fig.2.2 Tipuri de roboți mobili autonomi

Fig. 2.3 Robot mobil pentru explorări extraterestre, NASA [25]

Mini roboți mobili:

MOBILE 1

Fig. 2.4

ZIZOU

Fig. 2.5

Problemele specifice ce apar la roboții mobili ar fi următoarele: evitarea impactului cu obiectele staționare sau în mișcare, determinarea poziției și orientării robotului pe teren, planificarea unei traiectorii optime de mișcare. În cazul unui sistem robotic automat distribuit pozițiile spațiale sunt de o extremă importantă și de ele depinde îndeplinirea scopurilor dorite și funcționarea întregului sistem. Cu alte cuvinte, robotul trebuie să fie capabil să-și planifice mișcările, să decidă automat ce mișcări să execute pentru a îndeplini o sarcină, în funcție de aranjamentul momentan al obiectelor din spațiul de lucru.

Planificarea mișcărilor nu constă dintr-o problemă unică și bine determinată, ci dintr-un ansamblu de probleme dintre care unele sunt mai mult sau mai puțin variante ale celorlalte.

Evitare coliziunii cu obstacole fixe sau mobile (de exemplu alți roboți mobili) aflate în spațiul de lucru al robotului 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 informațiilor corelate de la mai multe tipuri de senzori.

Localizarea obiectelor se poate realiza și prin contact fizic, dar acesta impune restricții asupra vitezei de mișcare a structurii manipulate. Contactul fizic dintre robot și obiectele din mediu generează forțe de reacțiune care modifică starea robotului. Vitezele mari de lucru fac ca efectele dinamice ale unui contact fizic cu obstacole sau obiecte manipulate să fie riscante (pot duce la deteriorarea obiectelor sau a robotului).

Navigarea robotului este posibilă și fără o determinare a poziției și orientării față de un sistem de coordonate fix, dar aceasta informație este utilă pentru sisteme de comandă a mișcării. Dintre metodele de navigație mai des utilizate se pot menționa: măsurarea numărului de rotații făcute de roțile motoare, folosirea de acceleratoare și giroscoape, geamanduri electromagnetice instalate în teren, semnalizatoare pasive sau semipasive de tip optic sau magnetic.

Informațiile despre spațiul de lucru se pot obține independent de oricare acțiune a robotului și se pot organiza pe hărți de navigație. Harta ofera o configurație a structurii inițiale a spațiului de lucru. Configurația cerută se obține prin actualizarea hărții inițiale cu informații obținute de la sistemul de navigație al robotului autonom. Pe baza modelului inițial se poate stabili o traiectorie posibil de urmărit pentru atingerea scopului, traiectorie cu atât mai apropiată de cea reală cu cât informațiile despre mediul a priori sunt mai aproape de realitatea din teren. [11]

Informațiile existente inițial pot contribui la o predivizare a spațiului în zone accesibile și zone interzise. În procesul de modelare a spațiului de lucru, este important să se țină seama de dimensiunile și posibilitățile fizico-mecanice de abordare a acestor obstacole de către robot în funcție de dimensiunile lor.

Obstacolele din spațiul de lucru trebuie considerate cu dimensiunile majorate, atât pentru siguranța mișcării robotului cât și pentru simplitatea algoritmului de planificare, permițând considerarea robotului ca un punct material.

Roboții care își planifică singuri traiectoria de mișcare sunt dotați cu funcții de decizie și încadrați în clasa roboților inteligenți. Există roboți la care traiectoria nu se planifică, este fixă și marcată pe teren. În acest caz ei trebuie să evite numai obstacole interpuse accidental pe traseul marcat și să prelucreze informația de navigație realizând astfel urmărirea traiectoriei fixate. Acești roboți mobili nu sunt inteligenți, dar sunt deosebit de utili pentru asigurarea transportului în atelierele flexibile ale producției.

Robotul mobil este pus în situația de a desfășura acțiuni similare cu cele ale operatorului uman. Acest lucru determina existența unor anumite dispozitive prin care să se culeagă informații din mediul de lucru, care să realizeze interacțiunea robot – mediu cu ajutorul unor caracteristici ale mediului sau ale obiectelor din mediu și o unitate centrală care să prelucreze în timp real informația senzorială, să o transforme într-o formă utilă pentru sistemul de comandă.

2.2 Considerații privind navigația roboților mobili

Sistemul de navigație reprezintă componenta cea mai complexă a roboților mobili autonomi. Instrumentele de navigație pot fi aplicate roboților autonomi sub diferite forme cinematice și geometrice.

Pentru navigație au fost folosite numeroase principii: odometrie (măsurarea relativă a poziției prin analiza numărului de rotații și orientarea roților) , navigație inerțială (pe baza măsurătorilor relative realizate prin intermediul giroscopului), ghidare activă (calculul poziției absolute prin măsurarea distantei până la cel puțin trei repere), recunoașterea punctelor de reper artificiale și recunoașterea puncte de reper naturale (se folosesc puncte de reper existente din mediul înconjurător). [11]

Problemele legate de navigația roboților autonomi pot fi sintetizate prin următoarele trei întrebări:

-Unde sunt?

-Unde trebuie să ajung?

– Cum să ajung acolo și să nu mă accidentez?

Figura 2.6 ilustrează modul în care aceste întrebari se suprapun peste conceptual clasic de sistem de reglare cu reacție.

Fig. 2.6 Controlul navigației roboților autonomi

Fig. 2.7 Mecanism de evitare a obstacolelor [15]

2.3 Metodele de navigație a roboților autonomi

Metodele de navigație a roboților autonomi sunt din cele mai diverse, dată fiind gama largă de utilizare a roboților și aplicațiile acestora. Mediul înconjurător robotului are o importanță crucială pentru funcționarea și orientarea acestuia, și de aceea toate abordările acestei probleme pornesc de la mediu. După acest considerent, se pot evidenția trei principii de navigație:

1. Navigația globală – raportare directă prin coordonate absolute la harta mediului înconjurător;

2. Navigația locală – prin determinarea poziției relativ față de obiecte imediat apropiate de robot, staționare sau în mișcare;

3. Navigația individuală – aflarea poziției robotului cu ajutorul unor dispozitive dedicate monitorizării deplasărilor făcute de acesta. [25]

Sisteme de comunicare

Roboții mobili trebuie să posede capacități de comunicare fie cu alți roboți din mediu fie cu un operator uman, pentru a raporta dacă o anumită sarcină dată a fost îndeplinită cu succes, sau nu. Sistemele de comunicare aferente roboților mobili pot fi de 2 categorii: cu fir respectiv fără fir.

Comunicația cu fir este modalitatea cea mai simplă de transfer de date între robot și operator. O serie de probleme asociate transmisiei fără fir, dispar în cazul comunicației de date cu fir, cu prețul îngrădirii mobilității robotului. Avantajul principal al sistemelor de comunicare cu fir este acela că, pe lângă datele transmise între robot și operatorul uman, se mai poate transmite și curent electric, eliminând astfel necesitatea unei baterii onboard pe robot și mărind autonomia robotului.

Un dezavantaj direct al folosirii unui sistem de comunicare cu fir, ar fi faptul că spațiul de lucru al robotului va fi limitat de lungimea maximă admisibilă a cablului. De asemenea, cablul ar putea interfera cu sistemul de locomoție sau chiar cu senzorii, aceștia putând raporta valori eronate.

Sistemele de comunicare fără fir se folosesc de o serie de tehnologii de transmitere a datelor prin aer dintre care amintim: transmisia prin unde în spectrul infraroșu, bluetooth, radio modem-uri, WiFi și altele. Tehnologiile Wi-Fi sunt deja răspândite în domeniul calculatoarelor personale, și oferă un suport complet de integrare al roboților în rețele de calculatoare. O problemă a acestor tehnologii ar fi faptul că sunt consumatoare de energie, lucru care nu este prielnic robotului mobil. Eliminând problema energiei consumate, tehnologiile Bluetooth oferă servicii similare cu dispozitivele Wi-Fi, însă distanța maximă admisibilă între emițator-receptor este mult mai mica decât în cazurile celorlalte tehnologii. În momentul de față, tehnologiile Bluetooth se folosesc în interiorul clădirilor, în laborator, unde distanța maximă fără repetor este de maxim 20m.

2.4 Sistemul senzorial al roboților mobili

Senzorii sunt dispozitive care pot măsura diferite proprietăți ale mediului precum: temperatura, distanța, rezistența fizică, greutatea, mărimea etc. În funcție de informațiile primite de la senzori robotul mobil se orientează în mediul de lucru.

În cel mai general caz, senzorii pot fi împărți în două categorii, anume:

– Senzori de stare internă – senzori care oferă informații despre starea internă a robotului mobil, spre exemplu nivelul bateriei sau poziția roților.

– Senzori de stare externă – senzori care oferă informații despre mediul ambiant în care robotul funcționează. Senzorii de stare externă se mai pot împărți la rândul lor în două categorii: senzori cu contact, mai precis acei senzori care culeg informația din mediu prin atingere (senzor tactil), respectiv senzori fără contact, care preiau informația din mediu de la distanță (cameră video, senzor ultrasonic, senzor infraroșu).

În lumea roboților mobili se întâlnesc o mare varietate de tipuri de senzori. O clasificare de bază a acestora ar putea fi:

– Senzori de distanță – senzori care oferă informații despre distanța între senzor și obiectul de măsurat din mediu;

– Senzori de poziție – senzori care oferă informații despre poziția robotului în termeni absoluți;

– Senzori de mediu – senzori care oferă informații despre diverse proprietăți și caracteristici ale mediului (exemplu: temperatură, culoare);

– senzori inerțiali – senzori care măsoară proprietăți de mișcare ale robotului.

Senzori de stare internă:

Senzorii de stare internă sunt acei senzori care oferă informații despre starea internă a robotului mobil. Senzorii din această categorie oferă fie informații legate de poziția robotului (odometrie), fie informații referitoare la vitezele sau accelerațiile liniare, respectiv unghiulare ale robotului (accelerometru, giroscop).

Senzorii care oferă informații despre poziție, se regăsesc de regulă sub forma encoderelor la motoarele robotului. Encoder-ul este un dispozitiv (circuit, traductor, software) care transformă semnalul primit (numărul de rotații) într-un semnal electric. Prin măsurarea rotației roților robotului, și apoi interpretarea acestei informații se poate estima poziția robotului. Semnalul provenit de la encodere poate oferi informații despre direcția în care se deplasează robotul, viteza cu care se deplasează robotul precum și distanța aproximativă care a parcurs-o robotul de la ultima evaluare.

Teoretic, poziția exactă a robotului ar putea fi dedusă doar din informațiile de odometrie provenite de la encodere, în sensul că distanța parcursă ar trebui să fie egală cu 2πr, unde r reprezintă raza roții respective. În practică însă, în cel mai bun caz, se poate ști doar că informația de la encodere conține o anumită eroare, și că această eroare de regulă nu scade niciodată. În cea mai rea situație, când roțile robotului alunecă, nu mai există nici o relație între mișcarea roților si mișcarea robotului.

Senzorul care permite determinarea vitezelor sau accelerațiile unghiulare ale robotului este giroscopul. Elementul component fundamental al tuturor dispozitivelor giroscopice – indiferent de destinația acestora – îl constituie giroscopul în formă de volant având rolul de purtător de moment cinetic. Pentru menținerea lui în mișcare de rotație se utilizează diferite mijloace de acționare. Ansamblul format din motorul de acționare (pneumatic sau electric) și giroscop (volant) se numește giromotor.

Senzori de stare externă:

Senzori de contact: Cel mai des întâlnit tip de senzori de contact în lumea roboților mobili este reprezentat de senzorii tactili. Termenul de senzor tactil se referă la un traductor care este sensibil la atingere, forță sau presiune. Acești senzori pot fi piezorezistivi, piezoelectrici, capacitivi sau electrorezistivi.

Senzori în infraroșu (IR): Senzorii în infraroșu (IR) constituie categoria cea mai simplă de senzori de distanță folosită la un robot mobil. Metoda lor de funcționare este foarte simplă, fiecare senzor fiind echipat cu un emițător și un detector. Emițătorul transmite un fascicol de lumină în spectrul infraroșu (de regulă sunt folosite lungimi de undă în intervalul 880-990nm), fascicol care se propagă în mediu, iar apoi se reflectă de obiectele aflate în acesta. Fascicolul reflectat este captat de componenta detector, urmând apoi ca printr-un calcul matematic simplu, să se estimeze o distanță între senzorul în infraroșu și obiectul detectat din mediu.

Senzori laser: Funcționarea unui senzor de proximitate optic constă în punerea în evidență a prezenței sau a formei unui obiect prin detectarea acestuia într-un volum limitat sau prin sesizarea întreruperii de către acesta a unui fascicul luminos. Pentru aceasta un emițător de lumină constituit dintr-un LED, lampă cu incandescență sau laser generează un fascicul luminos ce este recepționat după reflexia de obiectul de detectat de către o fotodiodă, fototranzistor sau celulă fotovoltaică.

În cazul detecției proximetrice receptorul analizează energia reflectată de obiect într-o zonă particulară situată pe axa fasciculului incident. Emițătorul și receptorul se găsesc deci unul în apropierea celuilalt zona activă fiind cu atât mai importantă și informația asupra localizării obiectului va fi mai fină cu cât distanța dintre ele va fi mai mică.

Fig. 2.8 Principiul de detecție

Detecția de trecere: Sistemul de detecție asigură punerea în evidență a unui obiect prin întreruperea variației fascicolului luminos incident. Se cunosc două sisteme disponibile:

sistemul baraj – când emițătorul și receptoul sunt situate de o parte și de altă parte a liniei optice. Această tehnică asigură detecția unor obiecte de dimensiuni mari;

sistemul reflex – ce utilizează pe lângă emițător și receptor un reflector. Principiul constă în realizarea detecției proximetrice a unui obiect cunoascut reprezentat de reflector și detecția obiectului necunoscut prin analiza comparativă a întreruperii fascicolului reflectat.

Senzori ultrasonici: Categoria de senzori cea mai des întâlnită la un robot mobil o constituie categoria senzorilor ultrasonici. Întâlniți în literatura de specialitate și sub denumirea de sonar, senzorii ultrasonici folosesc un principiu oarecum asemănător cu senzorii IR., dar în loc de a transmite fascicole luminoase, ei folosesc semnale acustice. Un emițător transmite un semnal acustic în mediu, urmând apoi ca reflecția acestuia să fie recepționată de componenta detector a senzorului. Timpul în care semnalul este receptat înapoi de senzor precum și atenuarea semnalului reprezintă aspecte exploatate de diferitele tipuri de senzori sonar.

Sunetele transmise de senzori sunt de regulă în spectrul de sunete ultrasonice, având o frecvență foarte înaltă pentru a nu putea fi detectate de urechea umană. Sensibilitatea unui senzor ultrasonic nu este uniformă, ci consistă dintr-un lob principal și câteva loburi laterale mai mici. De asemenea, această sensibilitate diferă de la un senzor la altul.

Senzori GPS: Sistemul de poziționare globală prin satelit (Global Positioning System) a fost inițial dezvoltat de către Departamentul de Apărare al SUA începând cu anul 1973. Sistemul este alcătuit din aproximativ 21 de sateliți, si permite oricărui receptor autorizat să-și calculeze poziția și viteza cu care se deplasează. Sistemul GPS nu poate fi folosit în interiorul clădirilor, deoarece el necesită ca între receptor și satelit să existe vizibilitate directă. Momentan există mat multe implementări ale serviciului, printre care SPS (Standard Positioning System) disponibil pentru civili, respectiv PPS (Precise Positioning System), disponibil pentru armată.

Senzori video: Senzorii vizuali sunt reprezentați de regulă în lumea roboților mobili de camere video. În momentul de față senzorii de imagine folosesc două tehnologii: CCD și CMOS. Camerele video obțin o cantitate mare de informații din câmpul lor vizual. Procesarea acestor date poate necesita o putere de calcul ridicată, mai ales dacă se dorește obținerea unor performanțe optime din informațiile culese. [25]

Fuziunea datelor furnizate de senzori

Pentru majoritatea sarcinilor atribuite unui robot mobil, folosirea unui singur tip de senzori nu poate da rezultate satisfăcătoare. Spre exemplu, pentru navigare, anumite obiecte din mediu pot fi detectate doar de senzori IR, iar altele doar de senzori ultrasonici, și doar unele de ambele tipuri de senzori. Se pune deci problema găsirii unei metode care să combine într-un mod eficient informațiile de la o multitudine de senzori de categorii și caracteristici diferite. Termenul cel mai des întâlnit în literatura de specialitate este „fuziune de senzori”. În contextul roboților mobili, fuziunea trebuie să fie efectuată pe următoarele trei nivele:

– Trebuie să combine măsurători de senzori de categorii diferite;

– Trebuie să combine măsurători din poziții diferite;

– Trebuie să combine măsurători efectuate la diferite intervale de timp.

Capitolul 3

Robotul mobil autonom CyberTech

3.1 Prezentarea concursului Eurobot 2015

Concursul european de robotică “Eurobot” a fost creat în 1998 de către francezi și se adresează tinerilor implicați în proiecte studenteșți cât și amatorilor pasionați de robotică.

Acest concurs se organizează o dată pe an. Anul acesta concursul a avut loc în Yverdon-les-Bains, în Elveția, în perioada 22-24 mai. La etapa europeană participă țări ca Franța, Germania, Elveția, Rusia, Marea Britanie, România, Serbia, Spania, Belgia, etc. În ultimii ani au fost invitate și echipe care reprezintă țări de pe alte continente: Taiwn, Algeria, Mexic.

În timpul meciului, pe masă se află 2 echipe, acestea urmărind să facă cât mai multe puncte prin intermediul sarcinilor pe care roboții le îndeplinesc. Fiecărei echipe, în timpul meciului, îi este atribuită o culoare din cele 2 culori disponibile, galben sau verde.

Tematica de anul acesta a fost ”Robomovies”, respectiv roboții sunt staruri de cinema și trebuie să indeplinească diferite sarcini.

Fig. 3.1 Masa de concurs și sarcinile de rezolvat

Sarcinile pe care roboții au trebuit să le realizeze sunt:

The spotlight:

Roboții trebuie să aducă stand-urile în zonele de bază corespunzătoare (zona de start – culoarea echipei sau zona comună – zona roșie);

Un spotlight este format din unul sau mai multe stand-uri deasupra căruia/cărora se află un spot;

Roboții pot să construiască cât de înalt doresc spotlight-ul.

The clapperboard:

Robotul trebuie să închidă clapperboard-urile corespunzătoare culorii echipei sale;

În situatia în care un robot închide unul sau mai multe dintre clapperboard-urile echipei adversare, punctele acțiunii respective vor fi oferite echipei adverse la sfârșitul meciului.

The popcorn:

Robotul trebuie să adune cât mai mult popcorn (mingi din zăpadă artificială) care se poate afla în 2 locuri: în cele 5 pahare în care sunt preîncărcate 4 bile de popcorn sau din cele 4 distribuitoare de popcorn de pe marginea mesei de joc în care sunt preîncărcate 5 bile de popcorn și să le distribuie astfel: paharele de popcorn în zonele de bază corespunzătoare, iar bilele de popcorn în coșurile din zona de start.

The red carpet:

Robotul trebuie să acopere zonele neutre ale treptelor scărilor corespunzătoare culorii echipei;

Covoarele sunt preîncărcate în robot înaintea începerii meciului;

Un covor este așezat corect dacă acoperă parțial sau total zona neutră, iar la sfârșitul celor 90 de secunde acesta nu mai este atașat de robot.

Climbing the stairs:

Un robot are voie să urce scările vopsite în culoarea echipei;

Când robotul urcă scările, acesta nu mai este limitat de înălțime

Dimensiunile roboților:

Ambii roboți trebuie să aibe o înălțime maxima de 350 mm

Robot secundar: – închis: 700 mm/ – deschis: 900 mm

Robot principal: – închis: 1200 mm/ – deschis: 1500 mm

Constrângeri pentru roboți:

Roboții trebuie să fie autonomi

Construcția robotului secundar este opțională.

Roboții trebuie să nu distrugă roboții adversari și elementele de joc

Roboții nu au voie să piardă componente în timpul meciului.

Roboții nu au voie să se fixeze pe suprafața de joc a mesei.

Roboții nu trebuie să le interzică roboțiilor adversari să puncteze, ei pot doar să își apere punctele deja făcute.

Meciul se desfășoară astfel:

Arbitrul dă start-ul meciului;

După 90 de secunde roboții trebuie să se oprească din orice mișcare sau din controlarea unui mecanism;

La sfârșitul meciului nimeni în afară de arbitri nu au voie să atingă roboții sau elementele de joc;

După terminarea meciului arbitri numără punctele obținute de fiecare echipă și completează hărțile de joc:

Dacă ambele echipe sunt de accord cu punctajul obținut, acestea semnează hărțile de joc și părăsesc zona de joc, iar dacă una dintre echipe nu este de acord cu punctajul poate face contestație, arbitrul urmând să ia decizia dacă meciul se va rejuca sau nu.

Arbitrul poate anunța sfârșitul meciului înainte de scurgerea celor 90 de secunde în cazul în care roboții sunt blocați pe masa de joc.

3.2 Construcția robotului mobil

Pentru a realiza acest robot și pentru a putea participa la concursul „Eurobot 2015” , s-a conceput robotul astfel încât acesta să respecte constrângerile de gabarit: să aibe un perimetru maxim de 1200 mm, iar înălțimea să nu depășească 350 mm.

Acest robot este un produs mecatronic la care se îmbină două elemente importante: componenta hardware și componenta software.

Componenta hardware este alcătuită din:

– partea mecanică, prin intermediul căreia robotul se deplasează pe masa de joc (locomoția) și mecanismele folosite la îndeplinirea sarcinilor concursului;

– partea de acționare electrică folosită la alimentarea și comanda tuturor mecanismelor care fac parte din robot.

– partea de comandă alcătuită de placa de dezvoltare Arduino Mega 2560 cu interfețele corespunzătoare.

Componenta software este reprezentată de programul și algoritmii din cadrul programului care a fost scris și încărcat pe placa de dezvoltare Arduino Mega 2560, cu ajutorul căreia robotul este condus pentru a îndeplinii sarcinile impuse, conform unei strategii.

Structura mecanică a robotului este alcătuit din 2 nivele:

Primul nivel este reprezentat de o placa de baza de aluminiu cu forma octogonală pe care sunt susținute roțile, motoarele de acționare, encoderele, plăcile electronice și profile speciale din aluminiu de la firma Bosch folosite pentru rigidizarea structurii robotului.

Al doilea nivel este format dintr-o placă de plexiglas cu forma asemănătoare placii de bază pe care se află 3 componente: un switch pentru pornirea robotului la începutul meciurilor din cadrul concursului, un buton de oprire de urgență și un suport pentru senzorul de detecție (beacon).

S-a ales forma octogonală pentru placa de bază a robotului datorită faptului că în timpul unui meci există probabilitatea ca acesta să lovească din diferite motive marginea mesei de joc sau a elementelor de pe masă, fiind astfel mai ușor să iasă din blocajul în care intră și astfel să-și poată continua de executat sarcinile rămase în acel meci.

Fig. 3.2 Robotul CyberTech

Robotul are o masă de aproximativ 10 kg iar în deplasările liniare poate ajunge la o viteză maximă de 2 m/s.

Pe partea de locomoție robotul dispune de 2 roți motoare așezate în interiorul robotului și aliniate pe centrul plăcii de bază datorită necesității de a păstra un punct fix atunci când robotul execută o rotație. Ținând cont de constrângerile de perimetru, (lățimea robotului măsurând doar 300 mm), motoarele care antrenează roțile nu au putut fi amplasate pe placa de bază, astfel încât acestea au trebuit să fie poziționate deasupra roților. Transmisia mișcării de rotație a axului motoarelor la roți se realizează prin intermediul unor reductoare cu roți cilindrice cu dinți drepți, având raportul de transmisie de 51:1 și cu ajutorul unor curele dințate. Motoarele folosite pentru deplasarea robotului sunt de curent continuu și sunt alimentate la o tensiune de 22,2 V.

Roțile dințate folosite pentru transmisia prin curele au raportul de 2:1.

Prinderea și rigidizarea motoarelor se face cu ajutorul unor suporți realizați special pentru aceste motoare și care la rândul lor sunt prinși de placa de bază prin intermediul profilelor de aluminiu. Tracțiunea robotului este diferențială și se realizează astfel: pentru deplasări liniare ambele motoare se rotesc în același sens iar pentru rotații motoarele se rotesc în sens opus cu aceași viteză pentru a avea o axă fixă de rotație.

În timpul meciului robotul se deplasează la punct fix dat fiind faptul că se cunosc toate pozițiile elementelor de joc. În programul încărcat pe placa Arduino sunt introduse punctele la care robotul trebuie să ajungă, puncte care sunt calculate în prealabil în funcție de reperele fixe ale elementelor pe masa de concurs, astfel încât aceste locații scrise în program reprezintă centrul robotului în raport cu punctele fixe ale elementelor de joc. Traiectoria pe care robotul o urmează în timpul meciului este calculată cu ajutorul unor funcții matematice prin programul înscris pe placa Arduino, determinându-se astfel unghiul și distanța pe care robotul o are de parcurs de la punctul în care se află la punctul următor.

Pe partea de odometrie, robotul dispune de 2 senzori de poziție și turație care verifică în timp real distanța parcursă de fiecare roată. Aceste encodere incrementale (Yumo E6B2-CWZ3E) au o rezoluție de 1024 de impulsuri pe rotație și datorită construcției în cuadratură obțin 4096 de impulsuri pe rotație. Astfel în situațiile în care robotul se lovește fie de marginea mesei, fie de robotul advers, situații care duc la pierderea poziției și a orientării robotului datorită faptului că motoarele care antrenează roțile merg în gol, encoderele vor înregistra distanța reală parcaursă de robot. Pentru a realiza acest lucru, roțile encoderelor trebuie să fie în permanență în contact cu masa, lucru concretizat prin montarea encoderului și a roții encoderului pe un suport prins la rândul lui pe un ghidaj linear vertical. Totodată, pentru a avea o precizie cât mai bună encoderele s-au poziționat coliniar cu roțile motoare, după ele spre exteriorul plăcii de bază.

Una dintre cele mai importante reguli ale acestui concurs este de a nu lovi roboții adverși în timpul meciurilor. Pentru aceasta este nevoie de folosirea unui sistem de detecție a roboților adverși astfel încât atunci când robotul se apropie de roboții adverși acesta să îi detecteze și să îi ocolească fără ai lovi. Acest sistem de detecție constă din 2 beacon-uri care sunt atașate roboților adverși la începutul fiecărui meci și un senzor receptor montat pe robotul echipei noastre. Aceste beacon-uri sunt dispozitive cu alimentare proprie și sunt alcătuite dintr-un senzor ultrasonic Ping, un con care să reflecte campul emis de senzor pe o direcție orizontală, o placă pentru un circuit logic și o baterie pentru alimentarea plăcii și a senzorului. Pe aceste 2 beacon-uri atașate roboților adverși, senzorul ultrasonic are rolul de transmițător iar cel de pe roboul echipei noastre are rolul de receptor. Așadar, prin acest sistem robotul primește informații în timp real despre distanța la care se află de robotul adversar iar când această distanță este mică, acesta se oprește și începe să execute o manevră de ocolire a robotului advers. Pentru a proteja robotul și mecanismele lui de eventualele lovituri cauzate de robotul advers, s-a montat o carcasă de aluminiu.

3.3 Dispozitivele de lucru ale robotului

În continuare voi prezenta dispozitivele de pe robot.

3.3.1 Dispozitivul pentru închiderea clapperboard-ului:

Acesta constă dintr-o tija de metal ca în figura 3.3 care iese din robot când acesta trece prin dreptul clapperboard-ului de culoarea echipei noastre pentru a-l închide.

Fig. 3.3 Tija deschisă înainte de închiderea clapperboar-ului

Tija de metal este antrenată într-o mișcare de rotație de un servomotor TowerPro MG995 astfel încât atunci când robotul este în dreptul calpperboard-ului tija se află pe orizontală la nivelul acestuia iar robotul prin deplasare pe lângă marginea mesei reușește să închidă clapperboard-ul (fig 3.4).

Fig. 3.4 Închiderea clapetei

După ce a trecut de acesta, același servomotor retrage tija în interiorul robotului care acum se află pe verticală pentru a păstra un gabarit cât mai mic al mecanismului ca în figura 3.5. Unghiul pe care îl face servomotorul este de 90°. Acest servomotor este prins de un suport în forma de L care la rândul lui este montat pe un profil de aluminiu de pe marginea din stânga a robotului.

Fig. 3.5 Revenirea tijei în poziția inițială

3.3.2 Dispozitivul pentru transportul paharelor:

Acest dispozitiv este asemănător celui de închidere a clapperboard-ului prin faptul că se folosește tot un servomotor TowerPro MG995 pentru a acționa 2 tije metalice ca în figura 3.6.

Fig. 3.6 Prinderea paharului

Tijele sunt folosite pentru a prinde paharul cu mingi și a-l transporta la zonele speciale pentru depozitarea lui. Servomotorul execută o mișcare de rotație de aproximativ 45° pentru a prehensa paharul, iar după ce robotul ajunge în zonele destinate depozitării acestuia, servomotorul revine în poziția inițială pentru a elibera paharul (fig. 3.7)

Fig. 3.7 Paharul

Pentru a împiedica răsturnarea paharului în timpul rotației robotului s-a montat în partea dreaptă a lui, sub placa de bază o alta placă de aluminiu tip opritor.

3.3.3 Sistemul de prehensare al cilindrilor

Acesta este folosit pentru a prinde cilindrii de pe masă și a construi un turn din cei 8 cilindrii de pe masa (spotlight), deasupra căruia poate fi poziționată în robot o minge de tenis. Dispozitivul este alcătuit din două submecanisme: un gripper pentru prinderea propriu-zisă a cilindrilor acționat de un servomotor și un al doilea mecanism de tip biela-manivela care ridică gripper-ul cu turnul fomat.

Fig. 3.8 Sistemul de prehensiune

Prin comanda succesivă a celor 2 mecanisme, robotul trebuie să facă un turn format din cei 8 cilindrii de aceeasi culoare de pe masa. Acest ansamblul folosit pentru prinderea și transportul cilindrilor este amplasat în partea din fața stângă a robotului. Gripperul execută o mișcare de translație verticală prin intermediul unui ghidaj liniar cu bile (fig. 3.9).

Ghidajele cu bile au un gabarit mai mic decât cele cu role, preiau mai bine forțele și au pierderi prin frecare mai mici. Există ghidaje deschise pentru care bilele și suprafața portantă rămân în contact datorită greutății elementului mobil. Aceste ghidaje nu necesită sisteme speciale pentru introducerea forței de pretensionare. În cazul căilor de rulare plane există două puncte de contact, diametral opuse, între acestea și bilă. Pentru creșterea capacității portante se preferă soluții constructive cu căi de rulare în V sau cu profil ogival.

Pentru curse mai mici de 50 mm se folosesc ghidaje fără recircularea bilelor. Aceste ghidaje au elemente de rulare montate în colivii de tip bucșe sau colivii plane. O variantă deosebită de ghidaje cu bile fără recircularea elementelor de rulare o constituie ghidajul cu bucși cu bile. Bucșile conțin o bilă de rulare, care în interiorul coliviei de tip bucșe, rulează pe un suport de bile mai mici.

Fig 3.9 Ghidajul cu bile folosit [4]

3.4 Acționarea dispozitivelor

3.4.1 Generalități despre servomotoare

Un servomecanism este compus dintr-un motor de curent continuu care prin intermediul unui angrenaj de roți dințate antrenează un ax de ieșire. Pe axul de ieșire este montat un potențiometru cu rol de senzor de poziție. Arborele de ieșire al servomotoarelor nu face o rotație completă, ci doar 180 de grade

Fig. 3.10 Tipuri de servomotoare [13]

Funcționarea servomotoarelor:

Servomotorul este un motor de current continuu care este controlat pentru a face o rotație unghiulară specifică cu ajutorul unui servomecanism suplimentar (un sistem cu buclă de reacție închisă). Aplicații ale servomotorului sunt frecvent întâlnite la jucăriile cu telecomandă pentru a controla direcția de mișcare, precum și la acționarea mecanismelor CD-urilor și DVD-urilor.

Principalul motiv pentru utilizarea unui servomotor este dat de preciziea de poziționare unghiulară pe care o oferă. Prin acest fapt se deosebește de un motor de curent continuu care începe să se rotească atunci când este alimentat, iar rotația acestuia continuă până când motorul nu se mai alimentează, putând controla doar viteza de rotație. Servomotor este operat automat în intervalul unor limite pentru o anumită comandă dată și care folosește o buclă de reacție (feedback) pentru a corecta poziția unghiulară.

Servomotorul este alcătuit dintr-un motor de curent continuu, un sensor de poziție tip potențiometru, un reductor și un circuit logic de comandă. Circuitul logic împreună cu potențiometrul realizează precizia de poziționare unghiulară ridicată.

Circuitul de control are rolul de a modifica parametrii funcționali (poziție, viteză etc.) ai servomotorului în funcție de semnalul de intrare (referință). Determinarea poziției la care se află arborele servomotorului se face prin intermediul unui senzor de tip rezistiv (potențiometru). Modificarea unghiului de rotație al arborelui va determina modificarea poziției cursorului potențiometrului și implicit tensiunea de ieșire a acestuia.

Valoarea tensiunii este utilizată de sistemul de control pentru a determina poziția/turația reală a servomecanismului, și comparând-o cu referința va rezulta semnalul de comandă pentru motorul de curent continuu.

Fig. 3.11 Schema de control în buclă de reacție [31]

Circuitul de control compară, poziția unghiulară a axului servomotorului cu unghiul dorit, unghi dat de factorul de umplere al semnalului PWM. În funcție de valoarea obținută, circuitul de control va alimenta motorul de curent continuu cu o tensiune care să determine rotirea axului servomotorului în vederea anulării diferenței dintre cele două valori. Reductorul montat pe axul servomotorului amplifică cuplul dezvoltat de acesta.

Poziția de minim sau de maxim se obține la valori diferite pentru fiecare tip de servomecanism în parte. Cele mai uzuale valori sunt 1 ms pentru 180° și 2 ms pentru 0°.

Fig. 3.12 Poziția axului motorului [14]

Servomotorul TowerPro MG995 – utilizat la actionarea dispozitivelor

Pentru acționarea dispozitivelor robotului am ales acest servomotor în urma unor calcule prezentate în capitolul următor.

Fig. 3.13 Servomotorul TowerPro MG995

Servomotorul este de dimensiuni reduse și are un cuplu de până la 108 N · cm.

Caracteristici:

– greutate de 55 g

– cuplu care variază de la 93 N · cm (4.8 V) până la 108 N · cm (6 V)

– viteza de rotație de 60° în 0.2 sec

– tensiunea de lucru: 4.8 V – 7.2 V

Reductorul servomotorului are roțile dințate executate din metal (avantaj).

Fig. 3.14 Cotele de gabarit

3.4.2 Schemele electrice de alimentare

Pentru a alimenta servomotoarele a fost nevoie de a redresa tensiunea oferită de acumulatorul de pe robot, astfel s-a folosit un redresor de tensiune 24-5 V. Schema electrică pentru conectarea servomotoarelor este cea din figura următoare:

Fig 3.15 Schema de alimentare servomotoare

Pentru a alimenta alte componente de pe robot, cât și placa Arduino s-a folosit tot o tensiune de 5 V ca în figura următoare:

Fig. 3.16 Schema de alimentare la 5V

Pentru comanda și acționarea motoarelor s-a folosit driver-ul de motoare Escon Module 50/5. Acest driver este un amplificator care amplifică puterea primită de la placa Arduino, deoarece această placă nu dezvolta suficientă putere pentru a porni un motor,driver-ul luându-și puterea direct de la acumulatorul de pe robot. Driver-ul poate comanda motoare care au tensiunea de alimentare cuprinsă între 10 – 50 V, dezvoltând o putere maximă de 250 W.

Fig. 3.17 Driver de motor Escon Module 50/5

Acumulator Kypom LIPO 4200 mAh 6S 35C

Acest acumulator este de tip Litiu-polimer cu 6 celule și are următoarele caracteristici:

– capacitate de 3300 mAh;

-tensiunea de lucru la 22.2 V;

– greutate de 600 g;

– dimensiuni: 49x44x134mm

S-a ales acest acumulator pentru că menține tensiunea de 22.2 V până când capacitatea ei ajunge la 20%, îndeplinind astfel condiția de a juca 3 meciuri consecutive fără a încărca acumulatorul.

Senzorul laser folosit pentru detecția cilindrilor

Senzorul laser folosit pe robot face parte din clasa senzorilor de proximitate fotoelectrici și este unul dintre cei mai preciși senzori din categoria sa. Acesta funcționează astfel: se emite un fascicol de lumină de către emițător, apoi receptorul înregistrează timpul la care a recepționat fascicolul luminos. Diferența de timp dintre emiterea semnalului și primirea acestuia este folosită pentru determinarea distanței până la obiect. Acești senzori laser pot avea o distanță de măsurare de până la sute de kilometrii iar acuratețea lor este de ordinul milimetrilor. Un senzor laser este de obicei mai scump ca alte categorii de senzori pentru măsurarea distanței, datorită capacităților sale foarte bune.

Senzorul laser Sick WTB4-3F3161 are următoarele caracteristici:

– gama de detecție: 15 – 150 mm;

– tensiunea de alimentare: 10 – 30 V;

– lățimea de undă: 650 nm;

– tip de ieșire: PNP

– consum: < 20 mA;

– timp de răspuns: < 0.5 ms;

– frecvența: 1000 Hz;

– clasa de protecție: 1

– greutate : 30 g;

– dimensiuni: 16 x 39.5 x 12 mm;

Diagrama de conexiune:

3.5 Comanda robotului CyberTech

Comanda, conducerea și controlul robotului se realizează cu ajutorul plăcii de dezvoltare Arduino Mega 2560 și a microntroller-ului ATmega 2560 pe care îl conține.

Placa dispune de:

– 54 de pini digitali, dintre care 15 pini pot fi folosiți ca ieșire cu PWM

– 16 pini de intrare analogici

– un oscilator tactat la 16 MHz

– o conexiune USB

– un jack de putere pentru alimentarea direct de la priză

Placa Arduino dispune de o memorie de tip flash de 256 KB în care se încarcă programul, o memorie de tip EEPROM de 4 KB și o memorie RAM de 8 KB.

Fig. 3.18 Arduino Mega 2560

Alimetarea plăcii se poate face prin 3 modalități:

Prin intermediul conexiunii USB

De la o sursă externă de alimentare care poate fi un acumulator sau baterii prin intermediul adaptorului AC-DC

Prin conectarea celor două borne ale acumulatorului sau a bateriilor la pinii Vin și Gnd

Se recomandă ca placa să fie alimentată între 7 și 12 V. Dacă se alimentează sub valoarea de 7 V există riscul ca aceasta să devină instabilă, iar dacă se alimentează peste valoarea admisă, regulatorul de voltaj se poate încălzii excesiv, deteriorând astfel placa.

Pinii pe care se poate face alimentarea sunt:

Vin, pinul pe care se face alimentarea când se folosește o sursă externă de alimentare;

5 V, pinul care se folosește pentru a alimenta microcontrolerul și celelalte componente; tensiunea poate proveni de la surse regulate la 5V

Gnd – pinul de împământare

Interfața microcontroller-ului:

Cei 54 de pini digitali pot fi folosiți ca pini de intrare prin comanda digitalRead() sau ca pini de ieșire prin comanda digitalWrite(). Pentru folosirea PWM-ului pe cei 15 pini dedicați se folosește comanda analogWrite().

Placa dispune de pini cu funcții speciale:

Serial 0 (RX) și 1 (TX) care sunt folosiți pentru a recepționa și a transmite date prin portul serial

Aref – pinul care este folosit pentru a modifica tensiunea maximă la care pot fi folosiți pinii analogici

Reset – pinul folosit pentru a întrerupe alimentarea plăcii; de obicei se conectează un buton de stop care îl anulează pe cel existent pe placă

Sistemul de comunicație

Arduino Mega conține o serie de facilități pentru comunicația cu altă placă Arduino sau cu un computer. Microcontrollerul poate furniza comunicație serială UART TTL (5V) prin utilizarea pinilor digitali RX și TX. Un chip canalizează această comunicație serială spre portul USB, iar driverele chip-ului frunizează un port virtual COM pe computer. Cu ajutorul software-ului inclus de Arduino se poate monitoriza portul serial, prin care se poate transmite informații de la placă și spre placă. O librărie SoftwareSerial permite comunicația serială pe toți pinii digitali. Placa suportă deasemenea cumunicații de tip I2C si SPI.

Arduino Mega 2560 poate fi programat cu software-ul pus la dispoziție de producător. Prin acest software se poate reseta și schimba programul direct de pe computer. Prin comanda Upload, microcontrollerul se resetează și un program nou este încărcat. Arduino Mega conține și o protecție la supratensiune sau la scurtcircuit pentru porturile USB ale computerului. Această protecție este formată dintr-o siguranță care întrerupe circuitul la un curent mai mare de 500 mA.

Fig. 3.19 Schema electrică a plăcii

3.6 Programul folosit pentru comanda servomotoarelor

Programul folosit pentru deplasarea robotului pe masa de joc s-a realizat cu ajutorul software-ului oferit de placa de dezvoltare Arduino. Acest program este structurat pe blocuri de rutine și conține o varietate de funcții de apelare. Astfel, când programul rulează pe robot, rutinele sunt apelate prin intermediul funcțiilor în.

Pentru acționarea dispozitivului de prehensiune și ridicare a cilindrilor s-au creat subrutine datorită faptului că servomotoarele dispozitivului trebuie comandate într-o succesiune specifică în funcție de cilindrul pe care îl ridică.

3.7 Testarea robotului

Pentru testarea robotului s-au efectuat diferite experimente, printre care testarea motoarelor de curent continuu a senzorului laser și a servomotoarelor.

La început s-au montat motoarele de curent continuu folosite pentru tracțiunea robotului împreună cu roțile motoare pe o placă de bază și s-a conectat un acumulator. După aceea s-a scris un program simplu de mers în față pe placa Arduino atașată robotului. S-a observat faptul că robotul nu merge drept datorită unei diferențe mici a turației motoarelor. Totodată robotul nu respectă distanța impusă prin program, depășind-o cu câțiva milimetrii. Pentru a rezolva erorile de poziționare a robotului pe masă s-a implementat prin intermediul programului un regulator de tip PID care controlează turația motoarelor cu o precizie ridicată, cu ajutorul buclei de reacție folosită de acest regulator. După implementarea acestui regulator PID s-a observat faptul că robotul parcurge distanța impusă doar când această distanță are anumite valori. Pentru a poziționa cu precizie robotul pe masă indiferent de distanțele pe care acesta trebuie să le parcurgă s-au modificat parametrii regulatorului PID astfel încât să se obțină un control cât mai bun al motoarelor indiferent de distanța care trebuie parcursă.

În stadiul al doilea s-au montat servomotoarele folosite pentru acționarea dispozitivelor de pe robot. Servomotoarele fiind motoare care fac un anumit unghi programat, am început prin a da valori unghiurilor astfel încât să fie îndeplinite sarcinile. După ce robotul a reușit să îndeplinească o parte din sarcini s-a elaborat întregul program pentru toate sarcinile de pe masă. Pentru îndeplinirea acestor sarcini robotul este programat să se ducă la un punct fix de pe masă, să rezolve sarcina iar apoi să se deplaseze la următorul punct pentru a rezolva următoarea sarcină. După ce s-a construit întregul program s-a observat faptul că punctele la care trebuia să ajungă spre sfârșitul meciului nu mai avea o precizie ridicată dat fiind faptul că erorile de pe parcursul meciului se însumau. Pentru a rezolva această problemă s-au programat alte puncte pentru ca robotul să ajungă în poziția dorită. După ce robotul a reușit să facă în mai multe meciuri consecutive punctajul maxim s-a transcris programul și pentru meciurile când acesta pornește de pe cea de-a 2-a culoare de pe masă.

Nu în ultimul rând s-a construit dispozitivul de detecție a robotului advers, numit beacon, și testat cu ajutorul robotului construit pentru concursul de anul trecut “Eurobot 2014”.

Capitolul 4

Proiectarea sistemului de prehensiune al cilindrilor

4.1 Funcționarea sistemului de prehensiune

Succesiunea de mișcări pentru a ridica un cilindru și a-l pune deasupra altui cilindru este următoarea:

robotul pleacă din poziția inițială, la începutul meciului, cu griperul deschis în poziția de jos ca în figura 4.1

Fig. 4.1 Gripper deschis în poziția inițială

când ajunge în dreptul unui cilindru, gripper-ul se închide și se ridică pe o distanță de 80 mm ca în figura 4.2

Fig. 4.2 Gripper închis

robotul se deplasează cu gripper-ul în poziția de sus până ajunge la următorul cilindru;

la cel de-al 2-lea cilindru, griperr-ul se deschide în poziția de sus, cilindrul susținut de gripper cade deasupra cilindrului de pe masă;

gripper-ul coboară în poziția de jos, se închide și urmează aceeași suscesiune de mișcări până ce ia toți cilindrii de pe masă realizând astfel turnul pe care îl aduce în zona destinată cilindrilor, figura 4.3

Fig. 4.3 Realizarea turnului

Există situația în care robotul ajunge la poziția unui anumit cilindru iar acesta nu este pe punctul său. În această situație, pentru ca gripper-ul să nu se deschidă dacă nu există cilindru sub el, este folosit un senzor laser care verifică existența cilindrului sub gripper. Atunci când sub gripper există un cilindru, senzorul îl detectează și trimite un semnal (informația) pe placa Arduino pentru a continua succesiunea de mișcări.

Pentru alegerea servomotorului necesar acționării dispozitivului de prindere a cilindrilor (mecanismul de ridicare a gripper-ului și mecanismul bielă-manivelă), am efectuat calculul forței de strângere și a cuplului necesar ridicării greutății totale exercitate de întregul ansamblu format din gripper și cilindrii.

4.2 Calculul mecanismului de prehensiune a cilindrilor (gripper)

La calculul forțelor care acționează asupra gripper-ului am luat în considerare masa turnului format din cei 7 cilindrii care trebuie ridicați:

mmax = mcil

mmax = Nrcil · m1cil = 7 · 0.15 kg = 1.05 kg

Nrcil = numărul de cilindrii

m1cil = masa unui cilindru = 0.15 kg

Se calculează greutatea exercitată de această masă celor 7 cilindrii:

g = accelerația gravitațională 10 m/s2

Gmax = mmax · g = 1.05 kg · 10 m/s2 = 10.5 N (1.1)

Schema cinematică a mecanismului de prindere a cilindrilor este prezentată în figura 4.4:

Fig 4.4 Schema cinematică a gripper-ului

Pentru a ține greutatea cilindrilor forța de frecare trebuie să fie egală cu greutatea cilindrilor =>

Ff = Gmax = 10.5 N

Ff = µ · N => N= = = = 9.55 N 10N (1.2)

Se calculează forța care acționează pe un braț al gripper-ului:

F1 = = = 5.25 N

L1 = 45 mm; L2 = 51 mm

Se calculează forța care se transmite în capătul opus al gripper-ului:

F2 = F1 · = 5.25 N · = 4.64 N

Se determină unghiul α dintre tija care acționează brațul gripper-ului și axa dintre cupla de rotație a acestuia și axul motorului:

L3 = 26 mm; L4 = 16.5 mm; L5 = 35 mm

L42 = L32 + L52 – 2 · L3 · L5 · => (1.3)

=> = => (1.4)

=> = = = = 0.895

α = = 26.49° (1.5)

Se descompune forța F2 după direcția normalei la brațul servomotorului:

= => F3 = F2 · = 4.64 · 0.895 = 4.15 N (1.6)

Se calculează cuplul necesar pentru a strânge cei 7 cilindrii astfel încât aceștia să nu cadă:

Mnecesar = F3 · = 4.15 N · 1.65 cm = 6.84 N · cm (1.7)

Se alege servomotorul TowerProm MG995 deoarece:

Mmin servo = 95 N · cm Mnecesar = 2 · 6.84 N · cm = 13.7 N · cm

4.3 Calculul mecanismului de acționare a gripper-ului

Masa totală luată în considerare este formată din:

mmax = mcil + mservo + maux

mcil = masa totală a cilindrilor

mservo = masa servomotorului folosit în cadrul gripper-ului

maux = masa suportului pentru servomotor și gripper-ului

Pe masa de joc sunt 8 cilindrii care trebuie transportați dar calculul pentru masa cilindrilor se va efectua luând în calcul doar 7 din cei 8 cilindrii deoarece pe cel de-al 8-lea cilindru robotul nu îl va ridica ci il va transporta pe masă:

mcil = Nrcil · m1cil = 7 · 0.15 kg = 1.05 kg

Nrcil = numărul de cilindrii care sunt ridicați de mecanism

m1cil = masa unui cilindru = 0.15 kg

mservo 0.3 kg

maux 0.25 kg

Masa totală de ridicat este:

mmax = mcil + mservo + maux = 1.05 kg + 0.3 kg + 0.25 kg = 1.6 kg

În continuare se calculează greutatea exercitată de această masă:

g = accelerația gravitațională 10 m/s2

Gmax = mmax · g = 1.6 kg · 10 m/s2 = 16 N (2.1)

Reacțiunea forței G este de sens opus și este notată cu Fmax:

Fmax = Gmax = 16 N

Se cunosc dimensiunile bielei, manivelei și a distanței dintre axul motorului care antrenează manivela și cupla de rotație dintre bielă și ansamblul gripper-ului în poziția de jos:

L1 = 121 mm; L2 = 56.5 mm; L3 = 150 mm;

Se determină unghiul α dintre bielă și axa în poziția de jos cu teorema cosinusului:

L22 = L12 + L32 – 2 · L1 · L3 · => (2.2)

=> = => (2.3)

=> = = = = 0.935

α = = 20.77° (2.4)

Se descompune forța Fmax după direcția bielei

Fb = Fmax · = 16 N · 0.935 = 14.96 N 15 N

Se determină unghiul β dintre manivelă și axă în poziția de jos cu teorema cosinusului:

L12 = L22 + L32 – 2 · L2 · L3 · => (2.5)

=> = => (2.6)

=> = = = = 0.652

β = = 49.3° (2.7)

Se determină unghiul γ ca fiind complementarul unghiului β:

γ = 90° – β = 90° – 49.3° = 40.7°

Se determină unghiul δ ca diferență între unghiul γ și unghiul α:

δ = γ – α = 40.7° – 20.77° = 19.93°

După determinarea unghiului δ se descompune forța Fb care acum este transpusă în cupla cinematică de rotație dintre bielă și manivelă pe direcția normalei la manivelă:

Fm = Fb · = 15 N · = 15 N · 0.94 = 14.1 N

Se calculează cuplul necesar pentru a ridica cei 7 cilindrii din produsul brațului, adică al manivelei și al forței normale pe acea manivela:

Mnecesar = Fm · 5.65 cm = 14.1 N · 5.65 cm = 79.67 N · cm (2.8)

Se verifică dacă există situații în care cuplul necesar este mai mare decât cel determinat în poziția de jos. Unghiul α pornește de la valoarea de 20° și crește spre 90° astfel pe parcursul mișcării unghiul α nu va avea o valoare mai mică de 20°. Unghiul δ ia valoarea de 0° atunci când biela este perpendiculară pe manivelă => = 1 => Forța care apare pe normală manivelei Fm va fi egală cu Fb, dar va avea o valoare mai mică decât cea din poziția inițială deoarece pe măsura ce unghiul δ scade, unghiul α crește; se va calcula cu valoarea maximă a forței Fb:

Fm = Fb · = 15 N · = 15 N · 1 = 15 N

Se recalculează cuplul necesar:

Mnecesar = Fm · 5.65 cm = 15 N · 5.65 cm = 84.75 N · cm

Se determină cuplul necesar ca fiind maximul dintre cele 2 valori ale cuplului determinate anterior:

Mmax nec= 84.75 N · cm

Se alege servomotorul TowerProm MG995 deoarece:

Mmin servo = 95 N · cm Mnecesar = 84.75 N · cm

Schema cinematică a mecanismului de ridicare a gripper-ului cu cilindrii este prezentată în figura 4.5:

Fig. 4.5 Schema cinematică a mecanismului

Se pune problema determinării unghiului care trebuie făcut de către servomotor pentru a ridica gripper-ul pe o cursă de 80 mm:

Se determină unghiul β’ dintre manivela și axa în poziția de sus cu teorema cosinusului:

L3 = 150 mm – 80 mm = 70 mm

L12 = L22 + L32 – 2 · L2 · L3 · => (2.9)

=> = => (2.10)

=> = = = = -0.827

β' = = 145.79° (2.11)

=> unghiul pe care trebuie să-l facă servomotorul este :

γ = β’ – β = 145.79° – 49.3° = 96.49°

Pentru a afla cum variază unghiul dintre manivelă și axa am efectuat un calcul de determinare a funcției de transfer pentru mecanismul bielă-manivelă:

4.4 Determinarea funcției de transfer a mecanismului tip bielă-manivelă

Stabilirea funcției de transfer (de configurație) pentru mecanismul bielă-manivelă folosind metoda conturului vectorial:

Se dă: A (0,0); φ3 = ; l1 = 56.5 mm; l2 = 121 mm; S0 = S0 (t) ; φ1 = φ1 (t)

Se cere: φ1 = φ1 (l1, l2, S0)

Ecuația de închidere a conturului vectorial este:

+ + = 0 (3.1)

Ecuația vectorială se proiectează pe sistemul de axe și se obține sistemul de ecuații scalare:

· (l1 · + l2 · + S0 · )

+ · (l1 · + l2 · + S0 · ) = 0 =>

=>

Se înlocuiește φ3 = :

=>

Se ridică la pătrat ambele ecuații și se adună:

l22 = l12 · (φ1) + l12 · (φ1) + S02 + 2 · l1 · S0 · (φ1)

Se determină φ1 în funcție de constantele cunoscute:

l22 = l12 + S02 + 2 · l1 · S0 · (φ1)

(φ1) = => (3.2)

Se determină funcția de transfer:

φ1 = (3.3)

φ1 =

φ1 = -40.69°

Deoarece φ1 = φ1 (t) și S0 = S0 (t) prin derivare în raport cu timpul se obține funcția de transfer a vitezelor:

(l22 = l12 + S02 + 2 · l1 · S0 · (φ1))’

0 = 2 · S0 · v0 + 2 · l1 · S0 · ω1 · + 2 · l1 · v0 · =>

ω1 = (3.4)

Aplicarea metodei conturului vectorial este prezentată în figura 4.6:

Fig. 4.6

4.5 Modelarea și simularea mecanismului de ridicare

După efectuarea calculelor privind încărcările statice care acționeaza asupra dispozitivului și a proiectării robotului în Catia, am importat modelul CAD din Catia în SolidWorks. Aici am creat cuplele de rotație și translație aferente dispozitivului de ridicat piese cilindrice. Cu ajutorul instrumentului de lucru din Mathlab am convertit pisele componente ale sistemului și cuplele cinematice create în SolidWorks într-un limbaj specific Mathlab (SimMechanics). Schema rezultată este prezentă în figura 4.7.

Fig. 4.7 Schema modelului mecanismului de ridicare

În cadrul acestei scheme se regăsesc blocurile care reprezinta piesele și cuplele cinematice ale dispozitivului. Am adăugat forța care acționează asupra mecanismului și un senzor virtual în cupla cinematică de rotație dintre servomotor și manivela, pentru a determina cuplul necesar al servomotorului.

Din graficul rezultat în urma simulării dispozitivului a variației cuplului în funcție de timp am observat faptul că valoarea maximă a cuplului este de aproximativ 90 N · cm, valoare care este în concordanță cu valoarea determinată în calculul efectuat la punctul 4.3.

Fig. 4.8 Graficul variației cuplului

În figurile 4.9 și 4.10 se poate observa mecanismul în poziția de jos în care gripperul trebuie să prindă un cilindru și în poziția de sus după ce a ridicat acest cilindru.

Fig. 4.9 Dispozitivul în poziția de jos

Fig. 4.10 Dispozitivul în poziția de sus

Capitolul 5

Concluzii

În urma alegerii temei de licență am realizat un studiu al literaturii de specialitate în vederea conceperii, proiectării și realizării unui robot autonom care să se deplaseze cu ajutorul a 2 roți motoare, cu tracțiunea diferențială și care să conțină dispozitive cu ajutorul cărora să execute sarcinile impuse în cadrul concursului european de robotică „Eurobot 2015” desfășurat în Elveția în periaoda 21-24 Mai 2015. Acest lucru l-am realizat in cadrul echipei CyberTech.

În cadrul acestei lucrări de diplomă m-am axat în principal pe componenta hardware care a stat la baza construcției dispozitivelor robotului, prezentând de asemenea partea electronică și partea software necesară pentru acționarea și comanda lor în vederea îndeplinirii sarcinilor impuse.

Acest robot reprezintă un sistem mecatronic complex care nu putea fi realizat fără cunoștiințe din domenii precum mecanică, electronică și informatică. Implementarea unui sistem de locomoție diferențial conduce la o programare mai ușoara a robotului deoarece în timpul rotațiilor, robotul își păstrează o axă fixă de rotație, astfel modificându-se doar orientarea nu și poziția acestuia.

În viitor, se pot aduce îmbunătățiri pe partea mecanică prin folosirea unor motoare și servomotoare mai precise. În vederea dezvoltării în continuare a construcției de roboti și a participării la alte concursuri se ia în calcul realizarea unui robot modular, cu care se poate participa la mai multe ediții ale acestui concurs, schimbându-se doar mecanismele de pe robot, păstrându-se locomoția și odometria.

Pe partea de software se pot aduce multe îmbunătățiri privind optimizarea codului sursă, această parte având o influență foarte mare asupra mișcării robotului.

Construcția robotului s-a realizat în laboratoarele departamentului Mașini și Echipamente Industriale din cadrul Facultatii de Inginerie din Sibiu, sub îndrumarea domnului profesor Racz Gabriel și a domnului asistent Crenganiș Mihai, efort care a durat timp de 6 luni pâna la data concursului Eurobot, ediția 2015.

Robotul a obținut locul 10 din 36 de echipe internaționale participante, poziție care reprezintă cea mai bună clasare a unei echipe românești la acest concurs.

Bibliografie

Agoston K. Senzori și traductoare: Note de curs, 2001.

Ardeleanu M., Gheorghe Ghe., Matei Ghe. Mecatronică. Principii și aplicații, Ed. AGIR, 2007

Armaș I. Proiectare in mecatronică și robotică, Ed. AGIR, 2011.

Barbu Șt., Barbu A., Elemente pentru susținerea și ghidarea mișcării, Ed. ULBS, Sibiu, 2009.

Bodi Ghe. Proiectarea sistemelor mecatronice – indrumar de proiectare, Ed. Lumen, 2007.

Breaz R., Bogdan L., Automatizări in sisteme de producție, Ed. ULBS, Sibiu, 2003.

Brisan C. Robotică: Modelare și simulare, 2005.

Chiliban M. Desen tehnic industrial, Ed. Alma mater, Sibiu, 2003.

Chița M. A. Senzori și traductoare, Ed. Matrix Rom, București, 2006.

Dolga V. Traductoare și senzori: Curs, Centrul de multiplicare a Universității Politehnica, Timișoara, 1996.

Dumitrașcu B. Contribuții la conducerea, navigația și evitarea de obstacole a roboților mobili si vehiculelor autonome – teză de doctorat (rezumat), Universitatea Dunărea de Jos, Galați, 2012.

Gheorghe I. G. Mecatronică, Ed. Cefin, București, 2002.

Matieș V. Actuatori in mecatronică, Ed. TODESCO, Cluj-Napoca, 2000.

Matieș V., Mândru D., Bălan R., Tătar O., Rusu C. Tehnologie și educație mecatronică, Ed. TODESCO, Cluj-Napoca, 2001.

Nițulescu M. Roboți mobili, Ed. SITECH, Craiova, 1998.

Orănescu A. Modele matematice de analiză pentru mecanica roboților, 1998.

Popescu Ghe. Sisteme de manipulare automată. Mecanisme pentru roboți industriali, 2001.

Popescu S., Hurgoiu D., Senzori și traductoare. Manuscris, Cluj-Napoca, 2005.

Purcaru D. M. Senzori și traductoare, Vol. 1, 2, Ed. Reprograph, Craiova, 2001.

Sârbu N., Gheorghe I., Bercan N. Mecanică inginerească, Ed. ULBS, Sibiu, 1994.

Starețu I. Mâini mecanice: Mecanisme antropomorfe de prehensiune pentru protezare și roboți: Calcul și construcție, 2001.

Șușnea I. Contribuții la elaborarea unor soluții incorporate (embedded) de conducere in timp real a sistemelor robotice și vehiculelor autonome – teză de doctorat (rezumat), Universitatea Dunărea de Jos, Galați, 2009.

Telea D. Roboți, Ed. ULBS, 2002.

Thomas L. F. Dispozitive electronice, Ed. Teora, Bucuresti, 2003.

Țârulescu R. Contribuții privind optimizarea configuratiei senzorilor utilizați la roboți mobili – teză de doctorat (rezumat), Universitatea Transilvania, Brașov, 2014.

Ungureanu V. Proiectarea asistată de calculator pentru inginerie mecanică, Ed. Tehnica, 2002.

www.Mecatronica_avansata_curs.pdf

www.Robotica_avansata_curs.pdf

https://ro.scribd.com/doc/258925875/MECATRONICA-pdf

www.Sisteme de actionare RI.pdf

www.wikipedia.org

www.arduino.cc

Anexă

Exemplu de program pentru o strategie de joc a robotului când pleacă de pe culoarea verde.

OPIS:

Prezenta lucrare de licență conține:

86 de pagini format A4,

57 de figuri în text,

22 de relații matematice,

Echivalentul a 1 format A0 în partea grafică, după cum urmează:

Absolvent:

Popp Mihai Octavian

Copyright Notice

© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.

Acest articol: Domeniile ce concură esențial la formarea produselor mecatronice actuale sunt: [301665] (ID: 301665)

Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.

Domeniile ce concură esențial la formarea produselor mecatronice actuale sunt: [301665]

Copyright Notice

Proiectarea implanturilor [303097]

ArtHub Centrul Cultural de artă tradițională și contemporană București [605860]

Facu ltatea_ Marketing și________ [631140]

Procesul de asamblare virtual, utilizand programul CATIA. Studiu de caz ”Sistem de prehensiune pentru caroserie auto”. Tehnologia de fabricatie si… [303530]

STUDIUL CUNOȘTERII ÎN DOMENIU . SINTEZĂ DIN LITERATURA DE SPECIALITATE . Aspecte generale privind Impozitul pe prof it. Considerat ca unul din cele… [603228]

PERFECȚIONAREA PERSONALULUI DIDACTIC SPECIALIZAREA: LIMBA ȘI LITERATURA FRANCEZĂ TÉCHNIQUES D’ENSEIGEMENT/AP PRENTISSAGE DU VOCABULAIRE AU NIVEAU… [601594]

Copyright Notice

Similar Posts