Evoluția segmentelor de piață în domeniul roboticii pune de fiecare dată ca și priorități: [303710]

[anonimizat].

Pentru a se implementa tehnologii flexibile in industrie este necasar în prealabil analiza tehnologiei de grup a unei familii de piese urmată de un proces de studiu și alegere a [anonimizat], [anonimizat], respectiv IA/E, toate acestea intrând in componența sistemelor flexibile de fabricație.

Robotica este o disciplină care imbină mai multe cunoștinte precum: [anonimizat], mecanisme, [anonimizat], pneumatice, hidraulice, informatica, programare, automatizări.

[anonimizat]. Asimilarea corelată a [anonimizat] a [anonimizat] , ci si legatura stransa care trebuie sa existe intre ele.

Roboții industriali se diferentiaza de celelalte tipuri de componente ale sistemului de fabricație prin propria natura. [anonimizat] a [anonimizat], unelte sau dispozitive specializare prin miscari programate specific pentru sarcina sa.

Desi un robot trebuie programat si configurat pentru a [anonimizat] a indeplini diferite sarcini. Roboții pot fi disponibili in mai multe modele cu diferite configurații ale cuplelor cinematice conducătoare. [anonimizat]. O componentă suplimentară a sistemului robot o constituie senzorii și traductoarele (interni și externi) .

Aplicațiile roboților din ziua de astăzi sunt foarte diverse. O componentă a aplicațiilor robotice o constituie utilizarea roboților in industrie și putem spune că numărul acestor tipuri de roboți a crescut radical. Facilitățile robotice conferite fabricilor automatizate pot schimba modul de percepție a unui neinițiat referitor la procesele de fabricație. În medicină brațele robotice sunt utilizare pentru a [anonimizat].

Roboții industriali evoluează constant. [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat]. Roboții mobili pot urmări o rută preprogramata sau pot să își creeze propriul lor drum analizând mediul înconjurător și evitând obstacolele. Datorită complexității mecanismului în sine și a [anonimizat].

Capitolul 1 [anonimizat]e domenii ale tehnologiilor avansate, robotica fiind bine conturată ca arie de cuprindere a aplicațiilor industriale dar și specifice unui număr mare de domenii însoțite de aceasta.

Pentru toate categoriile de aplicații industriale, pe piață există o foarte mare gamă de produse care au ajuns la o maturitate tehnologică destul de avansată, iar pentru domeniile emergente sunt bine structurate direcțiile majore de cercetare și stadiile de dezvoltare tehnico-ștințifică ale produselor noi pe baza unei politici coerente specifice acestui domeniu.

Domeniul roboticii include trei subdomenii majore aferente în următoarea ordine: robotica industrială, robotica de servicii și robotica pentru aplicații spațiale și de securitate, subdomeniul roboticii pentru servicii fiind subdivizat la rândul său în robotica pentru servicii profesionale și robotica pentru servicii personale. În ceea ce privește segmentele de piață majore cărora li se adresează produsele și tehnologiile robotice acestea includ atât domenii consacrate, așa cum este cazul aplicațiilor robotice industriale pentru procesele de fabricație, cât și domeniile emergente cu dată de apariție relativ nouă, cum sunt cele specifice aplicațiilor bio-industriale, pentru servicii în sectorul public, pentru domenii medicale sau respectiv de utilizarea roboților pentru servicii personale, casnice sau în scop de divertisment.

Evoluția segmentelor de piață în domeniul roboticii pune de fiecare dată ca și priorități:

-cresterea gradului de autonomie al roboților

-scaderea gradului de structurare al mediului

În cazul roboților industriali totul trebuie luat în calcul după următoarele priorități:

-mediu structurat

-obiective situate în puncte de precizie ale mediului

-sarcini predefinite prin program

-executarea automată de programe explicite

Prioritățile în cazul roboților pentru prestări servicii devin tot mai ridicate, aceștia obținând tot mai multă inteligență artificială, dar totodată și mai multe restricții

-model al universului bazat pe prelevare din mediu

-perceptie artificială

-procesare informațională multisenzoriala

-programe implicite și traiectorie

Roboții personali la fel ca cei de prestări servicii, pot prin diferiți altgoritmi care înlocuiesc gândirea umană, să ia o multitudine de decizii, toate fiind rezumate de un concept cunoscut și parcurs anterior. Majoritatea altgoritmilor se bazează pe învățarea constantă, care de fapt îl ajută tot mai mult să învețe din sarcinile parcurse anterior. În această ramură de robotică cercetările duc spre o nouă etapă și spre o creștere cât mai amplă a rețelelor neuronale artificiale care doresc:

-capacități de comunicare cu mediul

-utilizarea de modele pentru înțelegerea mediului

-planificarea automată a întregului program și functiile de supraveghere a întregii activități

Fig. 1.1. Dezvoltarea roboticii

Mediul înconjurător este mai mult sau mai puțin ostil operatorului uman, prin cerință de efort fizic și psihic pe care le solicită interacțiunea om-mediu, respectiv în acest mediu, omul mai este supus și vibrațiilor, efectelor luminoase, zgomotelor etc. Înlocuirea operatorului uman din mediul productiv se realizează, la nivelul etapei de automatizare, cu ajutorul robotului. Robotul poate fi definit ca o instalație pentru automatizarea operațiilor pe care în condiții clasice le efectuează omul. Operația fiind o parte a unei secvențe de proces, caracterizată prin anumite elemente de acțiune, spre exemplu mutarea unor obiecte.

Deosebirea dintre robot și manipulator constă în aceea că primul are o structură mai complexă, mai multe grade de mobilitate și este condus după un program flexibil, modificat cu materiale minime, manipulatorul având o structură mecanică cu mai puține grade de libertate, este condus după un program rigid, modificările fiind făcute cu costuri mai mari.

Issac Asimov a formulat trei legi ale robotului după care orice robot funcționează:

Robotul nu poate să pricinuiască vreun rău omului, sau să îngăduie vătămarea acestuia prin neintervenția lui

Robotul trebuie să execute comenzile omului, cu excepția când acțiunile rezultate ar contraveni legii 1

Robotul trebuie să-și protejeze existența, cu excepția cazurilor când acțiunile rezultate contravin legilor 1 și 2.

Manipulatorul este definit ca și o structură mecanică constituită dintr-o serie de elemente articulate sau alunecătoare unul față de celălalt, utilizat pentru a prinde, deplasa, poziționa și orienta obiecte, piese sau scule, urmărind în general mai multe grade de libertate.

Acesta poate fi comandat de un operator, de un automat programabil electric sau prin orice sistem independent său asociat.

La rândul său, robotul manipulator este un manipulator multiactiune, comandat automat și reprogramabil, utilizat în aplicații de automatizare.

Capitolul 2 Sistemul mecanic al robotului

Rolul sistemului mecanic al roboților este de a se asigura realizarea mișcărilor acestora și transmiterea energiei mecanice pentru interacțiunea cu mediul.

Efectorul final este dedicat interacțiunii cu mediul, acesta fiind subsistemul din cadrul mecanic dedicat.

Rolul robotului este de a acționa asupra mediului prin manipularea a unor obiect, sau pentru a prelucra obiecte.

Manipularea este modificarea situării unui obiect în spațiu. Corelarea elementelor lanțului tehnologic ale brațului robotic cu sistemul de comandă se face prin programarea elaborată pe baza algoritmilor de calcul și transformări succesive de coordonate între diferite sisteme de referință. Subsistemul efectorul final care manipulează obiecte, se numește dispozitiv de prehensiune. Funcția efectorului final este aceea de a solidariza obiectul de lucru într-o situare bine determinată, menținerea acestuia în timp, de obicei prin strângere.

Din punct de vedere al mecanismelor, atât obiectul cât și partea de bază a dispozitivului de prehensiune, formează o cupla cinematica de clasa VI-a, aceasta fiind închisă de obicei prin forță.

Manipularea unui obiect se realizează prin modificări ale situării bazei efectorului final, cu care obiectul este legat. Cu acest scop, baza efectorului final care este solidarizată cu ultimul element al dispozitivului de ghidare.

Aceste dispozitive de ghidare pot fi cu topologie serială, mixtă sau paralelă.

Pentru situarea (pozitie-orientare) a unui corp într-un spațiu tridimensional se poate definiti cu ajutorul poziției punctului caracteristic și al orientărilor dreptei caracteristice, respectiv a dreptei auxiliare.

Printr-un punct caracteristic se înțelege un singur punct al obiectului, folosit pentru definirea poziției obiectului. Dreapta caracteristică fiind dreapta care trece prin punctul caracteristic, iar dreapta auxiliară fiind dreapta perpendiculară în punctul caracteristic pe dreapta dinainte, dreapta caracteristică. Cu aceste două drepte se poate defini orientarea obiectului, de care aparțin ambele drepte.

Orice efectorul final al unui robot care prelucrează obiecte este o sculă. Energia electrică și informaționalp necesară pentru prelucrare poate fi transmisă sculei exclusiv prin intermediul robotului sau prin intermediul robotului dar și a unei surse suplimentare de energie. În cazul în care efectorul final este un cap de forță cu scula. Capul de forță conține un motor dar poate să aibe eventual și o trasmisie mecanică.

La utilizarea robotului pentru prelucrare, scula, respectiv capul de forță împreună cu scula constituie obiectul manipulat, situarea acestuia definindu-se în modul arătat mai sus.

În lucrările de specialitate un sistem mecanic al unui robotului este denumit și manipulator.

Definiția unei platforme mobile este acea parte componentă a unui sistemul mecanic care asigură modificarea situării a întregului ansamblu în mediu. Se poate ca să nu fie înzestrat cu o platformă mobilă, acesta fiind un robot staționar, iar cel al cărui sistem mecanic conține o asemenea platformă mobilă, purtând numele de robot mobil. În cazul în care robotul este mobil, dispozitivul de ghidare poate modifica situarea unui obiect în raport cu platformă mobilă.

Fig. 2.1. Schema structurala a unui robot cu topologie seriala

Dacă un dispozitiv de ghidare este obligat să modifice situarea obiectului fiind solidarizat cu ultimul element al mecanismului de orientare, dintr-o situare inițială oarecare, în altă situare finală oarecare, dispozitivul trebuie să aibă numărul gradelor de mobilitate obligatoriu egal cu numărul gradelor de libertate a obiectului manipulat liber în spațiu.

Numărul gradelor de mobilitate al unui mecanism spațial este:

Unde n+1 este numărul elementelor, ci- numărul cuplelor cinematice de clasa i, suma gradelor de libertate de prisos. În cazul lanțurilor cinematice deschise Lp=0.

În mod obișnuit, mecanismele dispozitivului au numai cuple de clasa V-a și atunci gradul de mobilitate a mecanismului este dat de:

În cazul unui lanț cinematic deschis:

De unde:

Și deci prin urmare: M=6,c5=6 și n=6

Condiția desmodromei, sau mișcarea determinată, a unui mecanism este:

Unde reprezintă un număr al parametrilor cinematici fiind relativi ai cuplelor cinematice conducătoare cu o valoarea impusă la momentul dat de sursele de energie mecanică care acționează întreg mecanismul.

Pentru determinarea relațiilor matematice care permit exprimarea poziției unui punct în raport cu două sisteme de referință și implicit determinarea relațiilor pentru transformarea de coordonate între cele două sisteme de referință s-a folosit ca referință bibliografică (). Demonstrația se prezintă în ceea ce urmează :

Fig. 2.2. Transformari de coordonate intre doua sisteme de referinta

Vectorul de poziție al punctului P în sistemul solidului „Si”

Vectorul de poziție al punctului P în sistemul solidului „Sj”

Vectorul de poziție al originii Oj în raport cu Oi

Matricea cosinusurilor directoare

Cu quadri-vectori

Matricea de transformare omogenă exprima situarea relativă a solidului Sj în raport cu solidul Si.

Matricea de rotație

Fig. 2.3. Transformari de coordonate intre trei sisteme de referință

Relația de recurență

= depinde de amplasarea robotului in hala

= functie de coordonatele generalizate

= depinde de constructia efectorului final

=depinde de amplasarea DL(MU) in hala

= depinde de situarea OB in DL

= se citeste din desenul de executie al OB

Conform cerintelor tehnologice=situarea sculei in raport cu obiectul Situarea efectorului final in raport cu robotul prin modificarea coordonatelor generalizate, qi, i=1…6;

Pentru o cupla de rotatie

Pentru o cupla de translatie

Matricile de transformare omogene elementare

Fig. 2.4. Cupla de rotatie

Matricea de situare

Fig. 2.5. Matricea de situare

Versor normal

Versor de orientare

Versor de apropiere

Vector de poziție

Matricea de situare

Ecuatia matriceală a manipulării

Capitolul 3 Modelul geometric direct al situării obiectului manipulat

Modelul Denavit-Hartenberg

Fig. 3.1. Notații utilizate in modelul Denavit-Hartenberg

Acest algoritm este cel mai răspândit, deoarece metoda de modelare geometrică a roboților se bazează pe acesta. Avantajul metodei consta în numărul redus de parametri necesari trecerii de la un sistem de referință la altul.

Algoritmul este următorul:

1)Se notează elementele pornind de la baza robotului (elementul 0) și terminând cu efectorul final. Numărul cuplei cinematice este dat elementul cu cifră mai mare din componența ei.

2) Axa z i-1 este axa cuplei cinematice „i”, care leagă elementul „i-1” de elementul „i”.

3) Axă x i-1 este perpendiculară comună a axelor z i-1 și z i-2 și este orientată de la Oi-2 la Oi-1. Originea sistemului de referință se alege în punctul de intersecție al perpendicularei comune cu axele cuplelor cinematice.

Sensul pozitiv fiind de la indicele mai mic la cel cu indice mai mare.

4) Axele Y sunt definite de produsul vectorial Y = Z⸱X.

5) Se construiește un tabel cu parametri: θi , di , ai , αi

Trecerea de la sistemul de referință Oi-1 la cel cu originea în Oi se face prin 4 mișcări

elementare:

⇒ o rotație cu unghiul θi în jurul axei z i-1 , de suprapunere a axei xi-1 pe direcția axei xi, sensul pozitiv fiind de la xi-1 la x i.

⇒ o translație cu di de-a lungul axei z i-1 ce aduce originea Oi-1 în O’i-1, sensul pozitiv de la Oi-1 în O’i-1.

⇒ o translație cu ai de-a lungul axei xi suprapunând originea O’i-1 cu Oi, sensul pozitiv de la O’i-1 la Oi.

⇒ o rotație cu unghiul αi în jurul axei xi , de suprapunere a axei zi-1 pe

axa zi , pozitiv în sensul trigonometric.

Matricea de transformare de la elementul „i” la elementul „i-1” este de formă:

i-1Ti = Rot (zi-1 , θi) . Trans (zi-1 , di) . Trans (xi , ai) . Rot (xi , αi)

Deci rezolvarea modelului geometric direct necesită cunoașterea unor dimensiuni

(liniare și unghiulare):

– Pentru o cuplă de rotație: di , ai , αi sunt constante și θi = θi (t)

– Pentru o cuplă de translație: θi , ai , αi sunt constante și di = di (t)

– Tabelul Denavit-Hartenbergi

Revenind la ecuația matriceală

Unde fij = fij θi di ai αi

Pentru convenția Denavit – Hartenberg, soluția problemei geometrice directe constă

în egalarea elementelor matricelor din relația:

Efectorul final este partea din construcția sistemului mecanic al unui robot prin care acesta din urmă poate acționa asupra mediului extern, în conformitate cu destinația lui.

Brațul robotic având în principal două feluri de destinații: cea de manipulare a obiectelor de lucru sau cea de prelucrare a obiectelor de lucru. Adaptarea brațului putând fi făcută pentru o altă destinație prin intermediul efectorului final. Așadar efectorul final este cel care permite robotului să fie foarte flexibil în utilizarea acestuia.

Așadar termenul de prelucrare este folosit în sens general, de lucru efectuat asupra obiectului, acesta modificând forma, dimensiunea, proprietăților materialului și starea suprafețelor obiectului, structura obiectului de exemplu prin montare sau prin demontare.

Dacă robotul manipulează obiecte de lucru, efectorul final a-l robotului este un dispozitiv de prehensiune, având rolul de a solidariza obiectul de lucru cu un ultim element al dispozitivului de ghidare. Orice mișcare a manipulării obiectului de lucru se realizează de către dispozitivul de ghidare a ultimului element obținându-se mișcări adecvate.

Capitolul 4 Modelul cinematic direct si invers al robotului

În cazul rezolvării problemei cinematice directe a vitezelor se cunosc lungimile elemtentelor și vitezele lor relative și se calculează viteza rezultantă a punctului M.

În cazut rezolvării problemei cinematice inverse a vitezelor se cunosc lungimile elementelor și viteza rezultantă a puntului caracteristic M, in figura urmatoare, și se calculează vitezele relative ale cuplelor conducătoare.

Modelul cinematic direct al robotului

Fig. 4.1. Model de calcul pentru analiza cinematică directă a vitezelor

Se consideră un sistem de referință fix atașat bazei robotului – RI cu originea în punctul O0 și un sistem de referință mobil atașat efectorului final – EF sau obiectului manipulat cu originea în punctul caracteristic M=Oi. Starea de viteză a EF se definește prin matricea:

Unde: este vectorul viteză liniară al originii Oi;

este vectorul viteză unghiulară rezultant al EF;

Se definește matricea vitezelor generalizate:

Unde: pentru o cuplă conducătoare de rotație;

pentru o cuplă de translație;

Legătura dintre cele două relații și este dată de matricea Jacobiană

Sau

Modelul cinematic invers ala robotului

Cunoscând starea de viteză a EF prin matricea , se determină starea de viteză a cuplelor conducătoare cu relația:

Se constată că din elementele primei coloane depind numai q1, elementele celei de-a doua coloane depind numai de q2, la fel mai departe.

Astfel primele trei linii ale matricei Jacobiene se obțin cu ajutorul submatricei de translație, iar următoarele trei linii cu ajutorul submatricei de rotație din cadrul matricei de transformare omogenă.

Dacă pentru robotul industrial s-a dat destinația de a prelucra obiecte, efectorul final este o sculă sau mai poate fi un cap de forță cu scula. Scula fiind cea care poate efectuea operația de prelucrare, fiind la rândul ei legată de ultimul element al dispozitivului de ghidare, oferindui-se mișcările necesare efectuării operației de prelucrare. Acțiunea dintre o sculă și un obiect de lucru realizează între ele prin lucrul macanic o energie mecanică care se înmagazinează în sculă. Energie mecanică este conferită sculei prin mișcarea dispozitivului de ghidare, la ultimul element la care este atașat. Această energia mecanică poate să nu fie suficientă, așadar scula se atașează unui cap de forță care îi poate conferi această energia mecanică suplimentară. Dacă capul de forța este înzestrat cu un motor care poate transforma energia nemecanică în energie mecanică. Atunci capul de forță se va atașa ultimului element al dispozitivului de ghidare, acesta din urmă conferindu-i mișcarea necesară efectuării prelucrării.

Scula este prevăzută cu dispozitive de aducere a agentului purtător de energie, respectiv a materialului pentru cazul în care operația necesită o energie suplimentară sau de materiale.

Elementele de acționare

Atașarea elementelor de acționare efectorului final, au rolul de a mișca pe rotație sau translație, în cazul acesta de rotație, elementele cuplei cinematice conducătoare a modulului de micromișcare.

În cazul utilizării unor motoare electrice se va necesita transmisii mecanice, surub-piulita, pinion-cremaliera. Acționarea cu ajutorul motoarelor electrice poate prezenta dezavantajul unei greutăți foarte mari, reducându-se greutatea obiectului ce poate fi manipulat.

Acest dezavantajul poate fi redus,prin utilizarea acționării electromagnetice.

Un dispozitiv de prehensiune are funcția de a impune obiectului manipulat, o situare relativă care este determinată în raport cu ultimul element al dispozitivului de ghidare la care este atașat și asigurare unei menținerii în timp a acestei situări.

Fig. 4.2. Funcțiile dispozitivului de prehensiune

Dispozitivul de prehensiune are următoarele funcții:

Funcția de adaptare care constă în realizarea unor legături fizice de obicei între obiectul de lucru dar și între robot și mediul de lucru, conform oricăror comenzi din programul executat și informațiile externe senzoriale.

Următoarea funcție, cea senzorială constă în prelucrarea unor informații cu aspect la obiectul manipulat și mediu, care reprezintă atât formă, poziție, forta-cuplu, temperatura, prin intermediul unor traductoare sau senzori, în vederea transmiterii lor către sistemul de comandă al robotului industrial.

Așadar mecanismul de prehensiune are atât rolul de a transmite mișcări cât și transformă mișcarea unui element conducător, mișcare acestuia primită de elementele conduse ale mecanismului.

La fel și numărul degetelor poate influențează dexteritatea și stabilitatea prehensiunii.

Degetele utilizate în construcția dispozitivului de prehensiune este rigid-constituind un corp unic, rigid-asamblat din mai multe corpuri, apoi sunt legate între ele prin cuple cinematice de rotație.

Capitolul 5 Alegerea sistemului mecanic al dispozitivului de ghidare

Date tehnice despre robotul manipulator:

Capitolul 5.1 Forța de strângere a efectorului final

Fs-forța de strângere

l-lungimea brațului

M-momentul forței

P-puterea consumată intr-un moment oarecare

Fig. 5.1. Forțele care acționează în timpul funcționării la efectorul final

Capitolul 5.2 Proiectarea sistemului mecanic al robotului

Modulul efectorului final este acționat și el de un servomotor, forța de strângere a acestuia fiind limitată, din programul încărcat pe plăcuța Arduino, limitarea putându-se face ca opțiune secundară la timbrele tensometrice. Acestea se pot monta pe partea zimțată a modulului de prindere, deoarece pe această parte a senzorului deformația variază aproximativ logaritmic cu forța apăsat. Acesta este un modul BF3503AA, care are o folie din rășină ce se poate deforma, cu un rezistor de 350 ohmi și cablul de aliaj de oțel lucrând până la temperaturi de 80 0 C.

Fig. 5.2.1. Timbru tensiometric cu potențiometru reglabil

Fig. 5.2.2. Modul prindere efector final

Pentru efectorul final s-a proiectat un ansamblu de mai multe piese, deoarece s-a încercat simplificarea modulului utilizându-se doar un singur servomotor, care va angrena o singură parte din efector, cealaltă fiind mișcată cu ajutorul angrenajului cu dinți.

Fig. 5.2.3. Subansamblu efector final fără sistemul de acționare

Așadar acest efector final cu un singur servomotor, dezvoltă o forță de strângere ce poate menține o piesă cilindrică de dimensiuni până la 50 mm și greutate 300 grame.

Fig. 5.2.4. Modulul efectorului final cu servomotoare

Fig. 5.2.5. Efector final cu deschiderea modulului de prindere

Modulul ce urmează după efectorul final este format dintr-un servomotor, suportul acestuia, un rulment și un ax intermediar ce angrenează cu axul servomotorului deoarece el permite mișcarea efectorului final, această mișcare, reducându-se la un unghi de 1100C, deoarece atât i se permite prin proiectare.

Fig. 5.2.6. Modul al doilea ce permite mișcarea de rotație a efectorului final

Următoarele trei module sunt identice, diferind doar modul de aranjare al sistemelor de prindere. Acestea sunt diferite pentru a mări atât mobilitatea manipulatorui cât și distanța dintre servomotoare, care este aproximativ 60-70 mm. Această distanță s-a putut mări de cele anterioare care erau amplasate unul în proximitatea celuilalt, deoarece permiteau mișcarea efectorului final dar și acționarea acestuia.

Fig. 5.2.7. Modulele 3,4 și 5 cu rulmenți sistemele de prindere, fixare și servomotoarele

Pentru a susține întregul robot s-a proiectat un element care să rigidizeze întregul robot dar și sistemul de comandă al acestuia, cât și piesa cu care va fi încărcat robotul. Pe acest modul se montează servomotorul care permite mișcare robotului pe axa y cu 1200.

Fig. 5.2.8. Modulul de bază și talpa de susținere a manipulatorului

Fig. 5.2.9. Schema structurala a robotului având cuplele de rotație specifice

Cu ajutorul servomotoarelor, modul de acționare al robotului se face pe module diferite, pentru a-i permite atât o lungime optimă, cât și mai multe grade de mobilitate, baza robotului având posibilitatea de a se mișca 1800.

Fig. 5.2.10. Baza robotului

Fig. 5.2.11. Partea din spate în care poate să ajungă robotul

Pentru alegerea servomotoarelor s-a calculat momentul pe al doilea modul al robotului, numerotarea acestora începând de la bază. Acest servomotorul este cel care trebuie să mențină atât greutatea următoarelor module, cât și a piesei manipulate. La alegerea corectă a servomotorului s-a adăugat calculului de dimensionare un factor extern accelerația gravitațională, deoarece forța de frânare a servomotorului trebuie să fie capabilă să mențină brațul robotic în orice poziție fără ca motorul de acționare să fie acționat la capacitatea sa maximă.

Fig. 5.2.12. Dimensionarea sistemului de acționare cu manipulator și piesa de manipulat

Fig. 5.2.13. Desen de execuție servomotor utilizat pentru acționarea robotului

Fig. 5.2.14. Brațul robotic cu modulele specifice și sistemul de comandă

Capitolul 6 Alegerea sistemul de acționare al robotului

Prin acționare se înțelege un ansamblu de funcții tehnice prin care se realizează transformarea energiei nemecanice într-una mecanică, în vederea punerii în mișcarea relativă a elementelor. Sursa principală necesară a brațului robotic este cea electrică.

Transformarea energiei nemecanice în energie mecanică se realizează prin intermediul servomotoarelor electrice, care transmit direct mișcarea la elementele de execuție.

În acest sens prin sistem de acționare a robotului se va înțelege ansamblul motoarelor și convertoarelor prin care se obține energia mecanică necesară mișcării cuplelor cinematice conducătoare, precum și dispozitivele suplimentare ce controlează acest transfer energetic.

Sistemul de acționare cuprinde în structura sa o serie de elemente de execuție adică servomotoare, care realizează funcția de acționare la nivelul cuplelor cinematice conducătoare, fie direct, fie prin intermediul unor transmisii mecanice. Pentru realizarea interfațării acestora cu structură mecanică, elementul fix al servomotoarelor în primul caz se leagă de un element al cuplei cinematice, iar elementul mobil de un element al cuplei cinematice următoare, adică de elementul condus, iar în al doilea caz motorul împreună cu elementul fix al transmisiei mecanice se leagă de un element al cuplei cinematice, iar elementul mobil al acesteia se leagă de un element al cuplei cinematice următoare.

Plasarea motoarelor și a elementelor de comandă s-a făcut local în zona cuplelor cinematice conducătoare.

Plasarea locală a motoarelor de acționare și a elementelor de comandă a acetora prezintă o serie de avantaje:

-simplificarea structurii mecanice, prin eliminarea unor transmisii mecanice suplimentare

-cresterea preciziei de poziționare, prin eliminarea jocurilor intermediare din transmisia mecanică

-cresterea randamentului acționarii prin eliminarea pierderilor în transmisiile mecanice suplimentare

-eliminarea pierderilor energetice între elementul de comandă și motorul de acționare

-timp de răspuns redus între comandă și acționare

-posibilitatea modularizarii și interschimbabilității comode și rapide a modulelor

Prin axa cinematica a unui robot industrial se înțelege un ansamblu compact contituit din structură mecanică, motor de acționare, transmisii, echipamente de comandă și reglaj, senzori și traductoare pentru diferite mărimi, cuprinse într-un circuit de reglaj având drept scop asigurarea unor mărimi programate pentru deplasări, poziții, viteza, forțe și momente.

Servomotorul este un element component care acționează direct sau indirect asupra elementelor componente cu poziții relative reglabile. Poate avea poziție fixă, blocat pe sistem, în imediata lui apropiere sau poate fi conținut în subsitemul unui element cu poziție reglabilă.

Alegerea sistemului de acționare se face ținând cont de următoarele condiții:

În funcție de aceste cerințe sa ales servomotorul MG996 cu momentul de cuplu maxim 12Kg/cm la 6V.

Capitolul 7 Modulul Kinect 360

Kinect 360 este un sistem compus din mai multe camere video, senzori audio și de mișcare, aceștia fiind capabili să urmărească 48 de puncte a unui corp uman, în timp real, are având și capacitatea de recunoaștere facială și vocală. Kinect este un sistem de control ce a fost conceput să permită mișcarea în jocurile video ale userului, dar aceasta nu sa oprit aici, unii cercetători dorind să controleze chiar și manipulatorare, roboți industriali, prin simpla mișcare a corpului uman.

Acest produs a apărut din interesul dezvoltării tehnologiei către latura Ambient Intelligent, tehnologie ce își dorește să interpună inteligența în mediile în care omul trăiește. Crearea realității augmentate și design-ul foarte dezvoltat permite inteligenței artificiale să satisfacă nevoile omului, dar în dezvoltarea, această inteligență permite generarea machetelor în 3D (spațiul virtual), iar tehnologiei implementate permițându-i-se să aibe controlul absolut, pentru a crea și modela, fără comenzi explicite din partea utilizatorului, totul bazându-se pe inteligența artificială.

Această realitate augmentată devine din ce în ce mai palpabilă, senzorul kinect permițând interacționarea și comunicarea gesturilor către consolă și calculator folosindu-se doar de informațiile furnizate de mișcarea corpul uman. De aici, pentru programatori totul a devenit un punct de plecare pentru implementarea tehnologiei și de a găsi noi tehnologii de folosire al dispozitivului.

Această lucrare dezvoltă o aplicație care realizează teleoperarea unui braț robotic utilizând recunoșterea mișcării.

Fig. 7.1. Modulul Kinect 360

Modulul Kinect nu are dezvoltat un program cu care să se poată realiza mișcarea, de aceea s-au încercat diferite programe pentru a comunica cu Kinectul și în principiul cu xboxul, dar mai apoi, s-a produs un modul de adaptor ce permite adaptarea Kinectului la calculatoare, printr-o sursă de curent continuu, un adaptor serial și un decodor ce au fost incluse în noul modul.

Fig. 7.2. Adaptorul kinectului 360 cu mufă USB

Capitolul 8 Programarea robotului pentru manipularea unor piese pentru producție de serie

Pentru programarea robotului se folosește o placă de dezvoltarea compatibilă cu servourile, un Arduino uno R3. Această placă lucrează la o tensiune nominală de 5V, tensiunea de alimentarea putând fi mai mare de la 7V până la 12V. Semnalul servourilor vor fi legate pe rând la pinii de PWM ai plăcii arduino, iar pinii de alimentare legați la o sursă de alimentarea externă de curent continuu 5,7V. Fiecare servomotor consuma pana la 900 mA , pentru a se mișca .

Fiecărui servomotor i se atribuie câte un pin diferit.

Servomotoarele prin construcția lor mecanică, li se reduce unghiul de rotire de la 3600 la 1200. Oricare servomotor, la alimentarea sa, nu se întoarce in punctul 0 și daca i se va declara ca misiune ca el sa mearga la 300, va executa misiunea cu viteza maximă.

Viteza de deplasare crește direct proporțional cu tensiunea , la un voltaj minim la care să poată opera brațul de 4.8V timpul de deplasare de la 00 la 1200 este de 0.34 secunde, iar la un voltaj de 6V de la 00 la 1200 timpul este de 0.26 secunde.

Codul sursă a-l robotului pentru manipularea de serie a unui produs

//declararea bibliotecii pentru recunoașterea servomotorului

#include <Servo.h>

// declararea pinului fizic pe placa de dezvoltarea arduino uno R3

int servoPin1= 5;

int servoPin2= 6;

int servoPin3= 7;

int servoPin4= 8;

int servoPin5= 9;

int servoPin6= 10;

// crearea misiunii servoului

Servo Servo1;

Servo Servo2;

Servo Servo3;

Servo Servo4;

Servo Servo5;

Servo Servo6;

void setup() {

// declararea pinului PWM a-l servoului

Servo1.attach(5);

Servo2.attach(6);

Servo3.attach(7);

Servo4.attach(8);

Servo5.attach(9);

Servo6.attach(10);

}

//declararea buclei de repetare a codului

void loop(){

// servo merge la 0 grade

Servo1.write(0);

delay(3000);

//servo merge la 130 grade

Servo1.write(130);

delay(3000);

// servo merge la 70 grade

Servo2.write(70);

delay(3000);

//servo merge la 130 grade

Servo2.write(130);

delay(3000);

// servo merge la 50 grade

Servo3.write(50);

delay(3000);

//servo merge la 130 grade

Servo3.write(130);

delay(3000);

// servo merge la 0 grade

Servo4.write(0);

delay(3000);

//servo merge la 120 grade

Servo4.write(120);

delay(3000);

// servo merge la 30 grade

Servo5.write(30);

delay(3000);

//servo merge la 115 grade

Servo5.write(115);

delay(3000);

// servo merge la 30 grade

Servo6.write(0);

delay(3000);

//servo merge la 115 grade

Servo6.write(60);

delay(3000);

}

Capitolul 9 Comunicarea Matlab-Kinect

Comunicarea Matlab-Kinect se face prin diferite programe sau alternative la Matlab, precum Simulink și alte programe precum Microsoft Visual Studio.

Toate corelate între ele ne ajută la recunoașterea mișcărilor corpului uman din mediu, pentru a le transpune într-un mediu virtual, în care corpul devine un schelet cu 48 de articulații și care se transpun într-un sistem de coordonate x,y,z. Ele devin sistemul de referință pentru brațul robotic, căruia fiecărei cuple de rotație i se atribuie câte o articulație a skeletonului, de la acesta fiind folosite articulațiile de la mâini, iar pentru efectorul final utilizându-se gesturile palmei, acestea fiind transpuse într-un alt sistem de axe 2D de data aceasta, el având ca scop recunoașterea palmei deschise pentru acționarea servomotorului de la efectorul final, iar cel a-l palmei închise pentru a acționa închiderea efectorului final .

Pentru recunoașterea Kinectului, Windows-ul are nevoie de câteva softuri precum: Windows Software Development Kit, denumit și SDK, acesta are un set de instrumente de dezvoltare software, pentru platforme hardware cum ar fi console de jocuri video, sau alte sisteme de operare similar platformelor de dezvoltare.

Pentru a îmbogăți aplicațiile cu funcționalități avansate, anunțuri, notificări push si multe altele, majoritatea dezvoltărilor de aplicații implementează kit-uri de dezvoltare specifice.

Acest SDK este esențial pentru dezvoltarea unei aplicații specifică acestei platforme pentu analize și date despre activitatea din mediu.

Modulul SDK include în codul său note tehnice și documente justificative care ajută la clarificarea punctelor făcute pe analizarea mișcărilor dinainte.

Funcția KinectSDK este utilizată pentru a verifica setările de necesitate pentru a utiliza suportul Simulink pentru Kinect care utilizează Microsoft KinectSDK pentru Windows. Utilizatorul poate executa această funcție programabil sau într-o interfață grafică cu elementele sale grafice reprodusă în Simulink.

Fig. 9.1. Controlul Brațului robotic prin 4 servomotoare fără bază și efector final

După instalarea acestor programe se face o apelare a SDK-ului, după aceea se poate configura SDK-ul.

Fig. 9.2. Setup Kinect

Pentru brațul robotic se folosește un alt program pentru utilizarea Kinectului, în acesta fiind introdusă partea de comunicare serială cu Matlab-Simulink, deoarece recunoașterea mișcărilor se face prin Kinect, dar sistemul de achiziție date ne permite să utilizăm datele doar în procesarea skeletonului și atașarea acestuia în interfața grafică care va desena articulații, reproducând un skeleton în 3D, iar mâna în 2D. Kinect-ul utilizează două camere pentru corectarea în spațiu atât a dimensiunii până la corpul uman, o cameră fiind cu infraroșu iar alta de tip RGB, camerele completându-se una pe cealaltă optimizându-se atât claritatea imaginii cât și diferite gesturi ce trebuie să le recunoască.

Fig. 9.3. Prelucrarea interfaței grafice pentru recunoașterea mâinii

Pentru modelarea brațul robotic și efectorul final, s-a utilizat V-RealmBuider (program de proiectare al Matlab-Simulink) deoarece aici se poate simula traiectoria minimă, maximă și punctual maxim în care poate ajunge robotul.

Fig. 9.4. Prelucrarea interfeței grafice pentru brațul robotic

Așadar după aceste simulări, schema care sa proiectat in Simulink pe baza rezultatelor sa utilizat la următoarea etapă, cea în care robotul manipulator a fost introdus in Matlab prin extensia SimMechanics a programului SolidWorks, această extensie producând manipulatorului diferite cuple de rotație unde se află servomotoarele, acest nou proiect fiind inclus in Matlab pentru a simula mișcările programate la nivel de cuple.

Fig. 9.5. Manipulatorul cu cele șase cuple de rotație

Fig. 9.6. În baza simulărilor sau obținut și control de cuplu cu configurarea spațiului de lucru

Fig. 9.7. Control de cuplu cu spațiului de lucru definit

Fig. 9.8. Model Manipulator importat din SimMechanics

Fig. 9.9. Definirea logicii de transport în puncte atât a brațului robotic cât și definirea griperului

Fig. 9.10. Simulare urmărirea mingii folosind lanțul cinematic al manipulatorul proiectat

Pentru obținerea unor diagrame cu sarcini de cuplu, pentru robotul manipulator s-a efectuat o serie de teste în care acesta a primit mai multe traiectorii de urmat, acestea având limitele de cursă pentru fiecare cuplă, așadar brațul robotic a primit atât traiectoriile care trebuie urmate cât și unghiul la care se pot roti pentru a parcurge traiectoria încât să atingă toate punctele, astfel încât eroarea de abatere de la traiectorie să fie minimă.

Fig. 9.11. Traiectoria dată robotului este formată din mai multe puncte unite între ele

Fig. 9.12. Simulare control cuplu în diferite faze de sarcină a robotului

Fig. 9.13. Simulare control cuplu

Fig. 9.14. Diagrame pentru diferite puncte în timpul simulării de control cuplu

Pentru preluarea datelor din mediul extern, s-a instalat programul Image Acquisition care face parte din extensiile Matlab. Acest program se folosește la achiziția de imagini și video facilitând conectarea camerelor de diferite tipuri, inclusiv cele industriale și ștințifice și permite detecția și configurarea acestor componente hardware precum adaptorul camerei Kinect, care este necesar pentru conectarea Kinectului la calculator.

Această extensie permite moduri de achiziție cum ar fi procesarea în buclă, achiziția de fundal și sincronizarea achiziției pe mai multe dispozitive.

Configurarea urmăririi scheletului, senzorul Kinect pentru Windows oferă diferite moduri de urmărire a scheletelor. Aceste moduri pot fi accesate și configurate din obiectul videosource din dispozitivul de distanță.

Proprietățile obiectului sursă de distanță care controlează scheletul au următoarele

caracteristici:

-TrackingMode care controlează dacă este activată urmărirea scheletului

-SkeletonToTrack dacă sunt urmărite toate articulațiile și poate fi utilizată pentru a urmări

selectiv în funcție de distanța până la care se află corpul uman, aceasta utilizând ambele camere

-BodyPosture urmărirea poziției șoldului, dacă acesta este setat pe modul în picioare se urmăresc

20 de articulații, iar dacă este în modul așezat se urmăresc 10 articulații.

Kinectul poate urmări șase persoane, doar două dintre ele care sunt mai apropiate de

sistem fiind recunoscute și urmărite activ.

În vederea cu schelet se afișează imaginea RGB, cu locații de îmbinare a scheletului

suprapuse peste imagine RGB.

Articulațiile având o ordine fiecare, în funcție de legătura lor, sunt numerotate în ordine

de la unu la douăzeci.

Fig. 9.15. Articulațiile scheletului uman numerotate în funcție de modul de așezarea al acestora

Fig. 9.16. Corelarea articulațiilor pentru recunoașterea rapidă a mâinii sau piciorului

Fig. 9.17. Profil schelet

Fig. 9.18. Recunoaștere gesturi

Pentru a controla un robot industrial nu este de ajuns doar recunoașterea mâinii, ci este nevoie și de o extensie în plus, GestureControlled, ea remarcând cu ajutorul algoritmului, atât triangularea mâinii cât și atașarea unui contur în jurul acesteia, dar și adăugarea de puncte pentru fiecare deget recunoscut. Aceasta ajută programul să fie mai util atunci când un robot trebuie să manipuleze o oarecare piesă, deoarece cu ajutorul recunoașterii gesturilor, cu două gesturi de mâini se poate manipula o piesă. În cazul de față manipularea se face cu palma deschisă, fără piesă, iar inchiderea palmei înseamnă pentru program acționarea servomotorului efectorului final, pentru a prinde piesa.

Fig. 9.19. Recunoaștere gesturi în modul seated

La recunoașterea gestului, platforma creată ca și imagine grafică, ne va transpune mâna într-un fundal a-l ei, care ne permite să vedem extensia GestureControlled lucrând în paralel cu recunoașterea skeletonului reprodus de Kinect cu ajutorul SDK-ului.

Fig. 9.20. Recunoașterea gestului și refacerea acestuia

Pentru comunicarea Matlab-Arduino Uno R3, este nevoie de o extensie denumită MATLAB Support Package for Arduino Hardware, ea permițându-ne citirea, scrierea și analizarea datelor de la senzori, fără compilarea programului.

Fig. 9.21. Recunoașterea electronicii Arduino Unor R3 de către matlab

Anexe

Desen de executie bac

Desen de executie Efector final

Desen de executie servomotor

Desen de executie brat robotic

Vedere stânga ansamblu manipulator

Vedere izometrică ansamblu manipulator

Vedere izometrică manipulator

Studiu de mișcare a manipulatorului poziție 1

Studiu de mișcare a manipulatorului poziția 2

Studiu de mișcare a manipulatorului poziția 3

Explicare elemente braț robotic

Servomotor

Bază de suport robot

Suport rulment și ax servomotor

Rulment

Suport fixare tip L pentru (8)Suport servomotor, cu (3) Suport rulment și ax servomotor

Ax servomotor

Identic cu (3) Suport rulment și ax servomotor

Suport servomotor

Angrenaj condus

Angrenaj conducător

Articulație de ajutor pentrus (13) Bride

Suport sevomotor pentru efector final

Bride