Generalități despre mecatronică și robotică [309363]

Generalități despre mecatronică și robotică

Mecatronica

Contextul specific domeniului automatizarii in mod classic urmareste inlocuirea muncii sau a activitatilor factorului uman. [anonimizat], avand un un comportament asemanator si fiind caracterizate de autonomie totala sau partiala.

[anonimizat].

Mecatronica este o stiinta aparuta in anii 1970, in Japonia si se constituie ca o revolutie tehnologica si stiintifica. [anonimizat] 2 :

1. Mecatronica este o [anonimizat], eterogena, care integreaza sinergeic la nivel fundamental cel putin 3 domenii : mecanica, electronica si programarea.

[anonimizat]. Aceasta se realizeaza prin integrare sinergetica intre aceste domenii. Realizarea unitatii dintre domenii se realizeaza prin integrarea sinergetica ce presupune : comunicare, colaborare, conlucrare, (auto)organizare, (auto)structurare. Integrarea sinergetica realizeaza unificarea intre domenii astfel incat niciunul dintre ele nu este mai important decat celalalt.

[anonimizat], [anonimizat]: optica, pneumatica, hidraulica etc.

Partea de electronica a suferit foarte mari schimbari in domeniul de arhitecturi (concepere de noi arhitecturi), de concepere a circuitelor electronice. Domeniul software trebuie sa utilizeze modele de reprezentare matematica a [anonimizat].

2. Mecatronica este o [anonimizat], deschisa, [anonimizat]/[anonimizat], [anonimizat].

In figura 1.1.1 se poate observa multitudinea de elemente pe care mecatronica o are in component sa.

Mectronica a avut și are un impact major într-o largă varietate de ramuri industriale: [anonimizat] a [anonimizat], [anonimizat], etc. De asemenea ea a deservit o știință extrem de populară în universități atât sub aspectul ponderii de cercetare științifică cât și în ceea ce privește aspectul educațional.

[anonimizat] o largă audiență la noile generații de studenți. Topica noului domeniu include unii din cele mai diverse: [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat]-mașină, [anonimizat], etc.

[anonimizat]te și sisteme noi în ingineria micro și nano senzorilor și sistemelor de acționare, materiale și composite pretabile pentru implementări la scară celulară sau atomică, structuri celulare și rețele neuronale, sisteme ce prefigurează conceptele de nanoelectronică capabile să producă viitoarele nano-procesoare, noi concepte ale inteligenței artificiale privind adaptibilitatea, capacitatea de a raționa, capacitatea de instruire, noi sisteme de conducere axându-se în special pe controlul robust, tolerant la defecte, adaptive si inteligent. Un rol aparte îl joacă aplicațiile în caracterul interdisciplinar al mecatronicii

Este evident că mecatronica, fie ca domeniu autonom, fie ca o arie de interferență extrem de clasice ale științei, acoperă o tematică extrem de vastă și extrem de actuală prin impactul pe care îl exercită asupra lumii socio-tehnologice. Fără a-și propune să epuizeze un domeniu atât de vast, lucrarea de față încearcă să prezinte elementele de bază care constituie suportul teoretic și aplicativ al mecatronicii.

Sistemele mecatronice presupun perceperea schimbărilor din mediul în care evoluează aplicația pentru a putea acționa corect în vederea atingerii scopului propus. Culegerea informațiilor relative la starea sistemului se bazează pe utilizarea senzorilor

În sistemele mecatronice, datorită prezenței mișcării, trebuie detectate și sau măsurate proximitatea (contactul, prezența), poziția și viteza, forța și presiunea, vibrația și accelerația. În paragrafele care urmează în acest capitol sunt prezentate și analizate soluții constructive pentru diferite tipuri de senzori care permit măsurarea mărimilor de tipul celor enumerate mai sus.

Subsistemul de conducere al unui sistem mecatronic poate fi implementat în moduri diferite în funcție de performanțele așteptate și de costurile impuse.

Combinarea funcțiilor mecanice și electronice

Sistemele mecatronice permit multe funcții noi și îmbunătățite. La proiectarea sistemelor mecatronice este esențială interacțiunea pentru realizarea funcțiilor părții mecanice și a celei electronice. Comparativ cu realizarea mecanică pură, utilizarea amplificatoarelor și actuatorilor cu energie auxiliară electrică conduc la simplificări considerabile ale dispozitivelor (ex. ceasuri, mașini de scris electrice, aparate de fotografiat sau filmat).

O altă simplificare considerabilă a mecanicii rezultă din introducerea microcalculatoarelor în legătură cu dispozitive electrice așa cum pot fi întâlnite la mașinile de scris electronice, mașinile de cusut, sistemele de manipulare multiaxe și cutiile de viteze automate.

Proiectarea unor construcții ușoare conduce la sisteme elastice care se amortizează rapid prin material. Poate fi realizată o amortizare electronică cu senzori de poziție, viteză sau vibrație și feedback electronic cu avantajul suplimentar al unei amortizări reglabile folosind algoritmi.

Adăugarea controlului în buclă închisă pentru poziție, viteză sau forță determină o urmărire precisă a variabilelor de referință, precum și o comportare aproximativ liniară chiar pentru sisteme mecanice care se comportă neliniar. Prin omiterea constrângerii liniarizării asupra părții mecanice pot fi reduse eforturile de construcție și facbricație (ex. actuatorii simpli mecanici, pneumatici și electromecanici, sau supape controlate electronic). Cu ajutorul generării liber programabile a variabilei de referință, adaptarea sistemelor mecanice neliniare la operator poate fi îmbunătățită. Aceasta este deja utilizată pentru caracteristicile pedalei de acționare din electonica motorului la automobile, telemanipularea vehiculelor și avioanelor, în dezvoltarea excavatoarelor acționate hidraulic și sistemelor de pilotare electrice.

Odată cu creșterea numărului de senzori, actuatori, întrerupătoare și unități de control, cresc legăturile prin cablu și electrice astfel încât principalele preocupări le reprezintă fiabilitatea, costul, greutatea și spațiul necesar. De aceea, dezvoltarea unor sisteme adecvate de conducere și conectare electronice, redundante și reconfigurabile, sunt provocări pentru proiectanți. Îmbunătățirea proprietăților de funcționare: prin aplicarea controlului feedback, precizia este obținută nu numai prin precizie mecanică ridicată a unui element mecanic , ci prin comparație a unei variabile de referință programată și a unei variabile de control măsurată. De aceea, precizia mecanică în proiectare și fabricație trebuie micșorată puțin și pot fi utilizate construcții mai simple pentru rulmenți sau ghidaje.

Modalități de integrare

Componentele unui sistem clasic mecanic și electronic sunt prezentate în schema din figura 1.1.2.

Un astfel de sistem rezultă în urma adăugării senzorilor, actuatorilor și controlerilor, analogici sau digitali, la structura mecanică. Limitete acestei abordări sunt date de lipsa senzorilor sau actuatorilor corespunzători, durată de viață nesatisfăcătoare în condiții grele de funcționare (accelerații, temperatură, contaminare), necesitatea unor spații mari și/sau cabluri de legătură și procesarea relativ lentă a datelor.

Cu creșterea îmbunătățirilor privind miniaturizarea, robustețea și puterea de calcul a componentelor microelectronice, se poate pune mai mult accent pe partea electronică a sistemelor mecatronice prin utilizarea sistemelor autonome și microelectronică robustă. Integrarea într-un sistem mecatronic poate fi obținută prin integrarea componentelor și procesarea informației.

Transmiterea fluxului energetic într-un sistem mecatronic

În general, sistemele tehnice mecatronice (mașini, utilaje, aparate, instalații, dispozitive), ca produse materiale, presupun conversia calitativă și cantitativă a energiei, materialelor și/sau informațiilor de intrare în mărimi corespunzătoare la ieșire.

Descrierea calitativă a scopului sistemului mecatronic se realizează prin relații între parametrii de intrare și cei de ieșire și se exprimă prin transformarea și transmiterea energiei, materialului și informației. Cele trei tipuri de mărimi: energetice (forțe, viteze, puteri), de material (masă, greutate, volum, debit) și de informație (semnale) se transmit și se transformă prin fluxuri cu funcții bine determinate ce pot fi exprimate matematic (figura 1.1.3).

Clasificarea sistemelor mecatronice

O imagine asupra diversității și complexității domeniilor care sunt incluse în vasta noțiune de “Mecatronică” poate fi furnizată de tematica secțiunilor primei conferințe IFAC (International Conference of Automatic Control) de “Sisteme Mecatronice”, organizată între 18 și 20 septembrie 2000 la Darmstadt (Germania):

Sisteme mecatronice, incluzând vehicule mecatronice, motoare și

mașini mecatronice, trenuri mecatronice și sisteme spațiale mecatronice;

Componente mecatronice, cu temele actuatori și dispozitive

mecatronice și lagăre magnetice;

Roboți și mașini pășitoare, cuprinzând roboți mecatronici, sisteme

robotice mobile, mașini pășitoare;

Proiectarea sistemelor mecatronice – a avut ca centre de greutate:

modelarea și identificarea; instrumente software; simularea în timp real și

hardware-in-the-loop;

Controlul automat al sistemelor mecatronice, s-a concentrat asupra

metodelor de control, a controlului mișcării și vibrațiilor și a sistemelor

mecatronice pentru detectarea și diagnosticarea erorilor.

Conceptul de sistem mecatronic

Un sistem mecatronic este un sistem tehnic care integrează, într-o configurație flexibilă, componente mecanice, electronice și de comandă cu sisteme numerice de calcul, pentru generarea unui control inteligent al mișcărilor, în vederea obținerii unei multitudini de funcții.

Care sunt cuvintele cheie în mecatronică?

Integrare

Integrare spațială prin întrepătrunderea constructivă a subsistemelor

mecanice, electronice și de comandă;

Integrare funcțională, asigurată prin software.

Inteligență, raportată la funcțiile de control ale sistemului mecatronic și

caracterizată printr-o comportare adaptivă, bazată pe percepție, raționament,

autoînvățare, diagnosticarea erorilor și reconfigurarea sistemului (comutarea pe

module intacte în cazul unor defecțiuni) etc.

Flexibilitate, caracterizată de ușurința cu care sistemul poate fi adaptat, sau se

poate adapta singur, la un nou mediu, pe parcursul ciclului său de funcționare;

implică schimbarea adecvată a programelor de control (software) și nu a structurii

sale mecanice sau electrice (hardware).

Fără îndoială că pot fi luate în considerare multiple criterii pentru clasificarea

sistemelor mecatronice, iar câteva dintre cele mai interesante, vor fi prezentate în

continuare.

Clasificarea se poate baza și pe sistemele mecanice, care constituie suportul pentru configurarea unei structuri mecatronice:

Componente mecanice (incluzând componente mecanice de bază – lagăre,

ghidaje, cuplaje, angrenaje etc. și componente pentru generarea forțelor și

mișcărilor – lanțuri cinematice, lanțuri de acționare, componente

hidraulice/pneumatice, componente electromecanice etc.);

Mașini (incluzând mașini generatoare de energie – electromotoare, motoare cu

combustie internă, turbine etc.) și mașini consumatoare de energie – mașiniunelte,

utilaje tehnologice, mașini agricole);

Vehicule (automobile, trenuri, vapoare, avioane, navete spațiale);

Produse ale mecanicii fine (incluzând componente mecanice de precizie – lagăre,

ghidaje, lanțuri cinematice și de acționare, comutatoare, relee, senzori, actuatori și

dispozitive de mecanică fină – înregistratoare, imprimante, dispozitive de

comunicație, aparatură electrocasnică, aparatură optică, aparatură medicală);

Produse ale micro-mecanicii (incluzând componente micro-mecanice – lagăre,

ghidaje, lanțuri cinematice și de acționare și sisteme micro-mecanice – senzori,

actuatori, motoare, pompe).

Prin adăugarea și integrarea componentelor electronice și de comandă cu sisteme de calcul la/în aceste structuri mecanice, se obțin sisteme mecatronice corespunzătoare, care pot fi clasificate în:

Componente mecatronice;

Mașini mecatronice;

Vehicule mecatronice;

Mecatronică de precizie;

Micro-mecatronică.

O altă clasificare, împarte sistemele mecatronice în:

Sisteme mecatronice convenționale;

Sisteme micro-mecatronice;

Sisteme nano-mecatronice.

Presupunând că prima categorie acoperă primele patru grupe ale clasificării prezentate mai sus, se observă că în această a doua clasificare apare o clasă nouă de sisteme mecatronice, respectiv sistemele nano-mecatronice. Dacă principiile de operare și teoriile fundamentale sunt aceleași pentru sistemele mecatronice convenționale și sistemele micro-mecatronice, respectiv mecanica clasică și electromagnetismul, sistemele nano-mecatronice sunt studiate cu ajutorul unor concepte și teorii diferite, cum ar fi mecanica cuantică și nano-electromecanica.

O a treia clasificare prezentată în acest paragraf analizează sistemele mecatronice din punct de vedere al caracteristicilor lor comportamentale, și le împarte în:

Sisteme mecatronice automate;

Sisteme mecatronice inteligente;

Rețele mecatronice inteligente.

Sistemele mecatronice automate sunt capabile să manevreze materiale și energie, comunicând cu mediul înconjurător și au capacitatea de auto-reglare, care le permite să reacționeze la schimbări previzibile ale mediului într-un mod programat anterior. Marea majoritate a sistemelor mecatronice aparțin acestei categorii.

Sistemele mecatronice inteligente sunt capabile să realizeze un scop impus în condiții de incertitudine. Spre deosebire de sistemele automate, care sunt programate pentru a se comporta într-un mod dorit și sunt, în consecință, previzibile, sistemele inteligente pot atinge un scop specificat într-un mod imprevizibil. Ele sunt înzestrate cu un înalt nivel de flexibilitate, fiind capabile să răspundă la schimbări frecvente ale mediului, fără a fi necesară o reprogramare a lor.

Această diferență calitativă în comportament este determinată de separarea bazei de cunoștințe (knowledge base) de motorul de rezolvare a problemei (inference engine), concept de bază în inteligența artificială. Exemple de astfel de sisteme sunt mașinile-unelte inteligente, roboții inteligenți, vehicule cu ghidare autonomă, avioane fără pilot, rachete auto-ghidate, compresoare inteligente cu geometrie variabilă.

Atât sistemele mecatronice automate, cât și cele inteligente, pot fi incluse într-una din grupele celor două clasificări precedente, în funcție de specificul lor. O nouă și interesantă grupă este cea a unor rețele de sisteme inteligente, interconectate mutual, sau rețele mecatronice inteligente. Aceste rețele sunt capabile să decidă asupra comportamentului lor prin negocieri între unitățile componente autonome (nodurile rețelei). Fiecare componentă este un sistem mecatronic inteligent. Semnificativă este pentru acest fel de rețele, capacitatea fiecărei unități de a-și îmbunătăți performanțele prin auto-organizare (modificarea relațiilor dintre unitățile componente, în scopul îmbunătățirii performanțelor globale ale sistemului).

Cele mai evoluate rețele sunt supuse unui continuu proces de evoluție (prin deconectarea și eliminarea unităților mai puțin utile și conectarea unor noi unități cu efecte benefice pentru scopurile urmărite de rețea). Flotile de avioane fără pilot, colonii de mașini agricole inteligente, sisteme de fabricație inteligente, echipe de roboți militari, de salvare sau de jocuri sportive, sunt exemple semnificative pentru astfel de rețele.

O ultimă clasificare are la bază domeniile în care sunt utilizate sistemele mecatronice. Se regăsesc, grupate după un alt criteriu, cel al domeniului de utilizare, multe dintre sistemele mecatronice care au fost menționate cu ocazia prezentării criteriilor de clasificare precedente.

Se poate spune că că nu există niciun domeniu al vieții economice și sociale în care sistemele mecatronice să nu aibă un rol predominant, iar acest rol crește continuu. Mulți oameni au o imagine relativ clară despre rolul acestora: în industrie, reprezentat de roboți, mașini unelte cu comandă numerică, sisteme flexibile, sisteme complexe de măsurare și control, magazii automate etc, în vehicule civile și militare: automobile, trenuri de mare viteză, avioane, rachete etc, dar mai puțini, poate, intuiesc rolul acestora în agricultură: mașini agricole autonome, roboți agricoli, sisteme pentru irigații comandate de calculator, dar rolul mecatronicii în agricultură este mult mai amplu. Fermele moderne, de mare productivitate, presupun împânzirea terenului agricol cu o multitudine de senzori, receptați prin satelit (GPS), care furnizează date despre umiditatea din sol, despre conținutul în substanțe nutritive etc, pe baza cărora se realizează irigarea și distribuirea automată a îngrășămintelor.

Exemple de aplicații ale mecatronicii în diferite domenii

În industrie

Lagăre magnetice;

Elemente constructive ale mașinilor, cu electronică integrată;

Sisteme de injecție electronice ;

Sisteme automate pentru comanda vehiculelor;

Mașini unelte cu comandă numerică;

Roboți industriali;

Roboți mobili și pășitori, de diferite tipuri și configurații;

Vehicule cu ghidare automată;

Avioane militare autonome;

Rachete autoghidate;

Sisteme pentru condiționarea aerului;

Imprimante laser și plottere;

Sisteme pentru citirea/scrierea informației etc.

În agricultură, medicină, biomecanică

În agricultură

Roboți agricoli;

Roboți pentru industria alimentară;

Mașini agricole autonome;

Sisteme pentru irigații comandate prin calculator;

În medicină și biomecanică

Roboți medicali;

Organe artificiale;

Dispozitive chirurgicale;

Aparate pentru investigații medicale complexe etc.

Pentru uz general

Camere foto și video;

Aparatură video;

Antene TV cu poziționare automată;

Automate comerciale și bancare;

O gamă largă de aparatură electro-casnică “inteligentă“:

mașini de spălat;

mașini de cusut;

roboți pentru servicii etc.

În construcții

Roboți pentru construcții;

Sisteme de securitate automate

Automatizarea locuințelor și a clădirilor etc.

Produse micro-mecatronice

Micro-Mechanic-Electro-Systems (MEMS);

Micro-actuatori;

Micro-senzori;

Microsisteme.

Robotica

Majoritatea oamenilor cataloghează drept “robot’ o mașină ce acționează ca o ființă umană, prezentând un anumit grad de “inteligență”. în acest sens poate fi interpretată definiția dată de Dicționarul Webster: ”Robotul este un aparat automat sau dispozitiv care îndeplinește funcții atribuite în general omului sau manifestă inteligență aproape umană în cursul funcționării sale”.

O astfel de interpretare are caracter extensiv, în această categorie putând fi incluse diverse sisteme automate ce pot îndeplini sarcini fizice fără intervenția omului. Astfel, este destul de dificil de formulat o definiție precisă a robotului mai ales dacă se urmărește o delimitare unanim acceptată a “roboticii”.

Robotul “inteligent ” trebuie să fie capabil să primească comenzi vocale prin care se pot preveni eventuale dezastre sau pur și simplu să se poată schimba prioritățile în ordinea desfășurării operațiilor. Un astfel de robot trebuie să posede capacități structurale, senzoriale și de inteligență similare omului.

Roboții domestici sau “personali”au fost dezvoltați pentru amatorii de astfel de “automatizări” casnice mai ales în domeniul “jocuri/jucării”. Multe dintre aceste sisteme au capacitate de sinteză vocală, sesizare a nivelelor de lumină, detectare a mișcărilor, mișcări simple executate după programe ce țin seama în cursul derulării lor de informațiile furnizate de sisteme de navigație pe bază de sonar. Acești roboți au o “inteligență” limitată și în majoritate au fost construiți de către “pasionați” în domeniu, fiind în general “unicate”.

Domeniul în care roboții au cunoscut o largă dezvoltare este cel al aplicațiilor industriale unde au scopul de îndeplinire a unei mari varietăți de sarcini; pentru aceasta roboții industriali au fost echipați cu capacități senzoriale limitate care să le permită efectuarea acestora (prezentate într-o manieră repetitivă strictă și complet defintă), îndeplinirea sarcinii de către robot eșuează și este necesară intervenția omului dacă această ordine nu se respectă. Mai mult, dacă în spațiul de lucru al robotului intervine un obiect există o mare probabilitate ca acesta să se “ciocnească” cu obiectul respectiv cea ce poate conduce la avarierea amândorura. Cu alte cuvinte, majoritatea roboțiilâr industriali nu au “inteligență", nu pot vedea, auzii sau pipăii. Imaginați-vă o persoană care prezintă toate aceste handicapuri și pe care trebuie să o instruim în vederea îndeplinirii unei operații de asamblare de precizie.

Pentru a deveni mai eficienți și productivi, roboții industriali trebuie să fie capabili să se raporteze la mediu, să dezvolte acțiuni “corective” și să prezinte sensibilitate adecvată, compotându-se în mediu înconjurător într-un mod cât mai asemănător omului. Chiar dacă media propagă perspectiva antropomorfică asupra roboțiilor este dificil să credem că roboții inteligenți și interactivi ai următoarelor decenii vor avea “aspect uman” (chiar dacă inițiative/realizari în domeniu există).

Robotul industrial este manipulatorul automat cu mișcări programabile având câteva grade de mobilitate, capabil sa efectueze operații de manipulare prin programare variabilă a mișcărilor pentru realizarea unei varietăți de funcții.

Manipulatorul este sistemul mecanic automat a cărui comandă se bazează pe sisteme rigide care presupun o intervenție în structura fizică a sistemului de programare pentru modificarea ciclului de funcționare. Robotul industrial presupune un sistem flexibil de comandă la care programul se poate modifica fără intervenție asupra structurii sale fizice.

În ultimul timp se urmărește revizuirea generală a definiției robotului prin implicarea noțiunii de sarcină. Această noțiune complexă vizează includerea în definiție a roboților inteligenți capabili de a recunoaște mediul și de a reacționa la schimbările intervenite în acesta datorită dotării lor cu percepție senzorială, inteligență artificială și efectoare terminale adecvate îndeplinirii unor sarcini complexe, capabil să reacționeze corespunzător la schimbările din mediu.

Operatorul uman – are funcția de control supraveghere și decizie globală având posibilitatea de a introduce informația necesară funcționării robotului având în permanență posibilitatea modificării acesteia.

Sistemul de comandă și control – preia informația introdusă de operatorul uman, asigură prelucrarea informațiilor furnizate de către sistemele senzoriale extra și interoceptoare precum și dialogul cu operatorul uman. Informațiile rezultate sunt transmise sub formă de semnal de comandă către sistemul energetic.

Sistemul energetic – reprezintă sursa de energie și asigură fluxurile energetice necesare funcționării celorlalte sisteme ale robotului. Natura acestor sisteme poate fi mecanică, electrică, hidraulică, pneumatică sau combinații ale acestora. Fluxurile energetice sunt dirijate spre sistemele mecanice ce au rolul de a asigura locomoția în cazul roboților mobili respectiv manipularea obiectelor în cazul roboților staționari. în cazul roboților mobili ce au pe lângă funcția de locomoție și funcții de manipulare sistemul energetic dirijează fluxuri energetice de aceiași natură sau de natură diferită spre cele două sisteme mecanice de acționare.

Sistemul mecanic – sistem complex, alcătuit din sisteme ce asigură manipularea și/sau locomoția respectiv prehensarea și/sau contactul cu suprafața de sprijin.

Sistemul mecanic de locomoție – specific roboților mobili, asigură poziționarea și orientarea corpului robotului în raport cu suprafața de susținere în vederea deplasării întregului ansamblu. Sistemele de contact pot fi: roți, șenile sau combinații.

Sistemul mecanic de manipulare – asigură poziționarea și orientarea electorului terminal în raport cu un sistem de referință considerat fix.

Efectorul terminal poate fi: prehensor, o unealtă specializată, dispozitiv, etc.

Senzori interoceptori – aparțin sistemului de măsură și control cu rolul de a stabili starea internă de funcționare a robotului descrisă de parametrii cinematici și dinamici ai mișcării; sunt traductori de deplasare, forță, presiune, temperatură,etc.

Senzori exteroceptori – sunt sisteme senzoriale complexe destinate sesizării mediului exterior. Sunt specifici roboților avansați și inteligenți capabili să interacționeze cu mediul ambiant pentru îndeplinirea optimă a sarcinii. Acești senzori sunt de tip vizual, tactil, sonor, de proximitate, chemoreceptor, de radiație,etc.

Schema bloc a robotului industrial

Pe lângă caracteristicile specifice oricărui sistem mobil: dimensiuni, deplasări realizate, precizie, repetabilitate, tip de acționare, sarcină transportată, viteză de deplasare, există caracteristici specifice robotului cum ar fi: număr de grade de libertate, volumul spațiului de lucru, zonă de lucru, adaptabilitate la mediu, programabilitate, fiabilitate. Pe baza acestor caracteristici s-au definit generațiile de roboti:

Generația I – roboți ce acționează pe baza unui program flexibil prestabilit prin învățare directă;

Generația II – roboți cu un program flexibil prestabilit, ce se poate modifica pe baza informațiilor furnizate de sistemul senzorial;

Generația III – roboți ce înglobează elemente de inteligență artificială.

Schema bloc a unui robot industrial se află în figura 1.2.1.1.

Clasificarea robotilor

Din punctul de vedere al gradului de mobilitate se cunosc roboți ficși și mobili;

Din punct de vedere al informației de intrare și a metodei de instruire există:

roboți acționați de om;

roboți cu sistem de comandă cu relee (secvențial);

roboți cu sistem secvențial cu program modificabil;

roboți repetitori (cu programare prin instruire);

roboți inteligenți;

Din punct de vedere al sistemului de coordonate roboții sunt în sistem de coordonate carteziene (18%), cilindrice (33%) și sferice (40%);

din punct de vedere al sistemului de comandă:

comandă punct cu punct (unde nu interesează traiectoria propriuzisă);

comandă pe contur (implică coordonarea mișcării axelor);

comandă pe întreaga traiectorie (implică toți parametrii de mișcare);

Din punct de vedere al sarcinii manipulate;

Din punct de vedere al sistemului de acționare: hidraulică (40%), electrică (30%), pneumatică (21%), mixtă (9%);

Din punct de vedere al preciziei de poziționare: sub 0,1 mm, (0,1 – 0,5) mm, (0,5 – 1) mm, (1 – 3) mm, peste 3 mm;

Din punctul de vedere al tipului de programare:

cu programare rigidă (fără posibilități de corecție);

cu programare flexibilă(există posibilitatea modificării programului);

cu programare adaptivă (există posibilitatea adaptării automate a programului în timpul funcționării);

Sistemul senzorial al roboților

Se pot diferenția 3 mari categorii de senzori:

senzori interni (interiorceptivi) – plasați pe buclele interne de reglare și ajută la descrierea traiectoriei segmentelor mecanice componente;

senzori externi (exteriorceptivi) – se utilizează pe buclele externe pentru coordonarea traiectoriei generale a ansamblului;

senzori de securitate – utilizați pe buclele interne sau externe de reacție pentru sesizarea pericolelor (ciocniri, creșterea temperaturii, etc.).

Funcțiile sistemului senzorial sunt:

realizarea reglajului de poziție, viteză, deplasare, accelerație, efort;

modelarea de funcții senzoriale umane: tactilă, vizuală;

de tip releu pentru evitarea coliziunilor și securitate.

Senzorii interni sunt în general de tip poziție și deplasare. Cei mai utilizați în acest caz sunt senzorii de tip potențiometric (rezistivi) și cei de tip optic. Sistemele senzoriale de tip optic conțin un generator de flux luminos (de regulă un LED) și un element receptor (fototranzistor sau fotocelulă). Pentru poziționări precise se utilizează senzori inductivi.

Senzorii externi sunt senzori de efort (în general au la bază mărci tensometrice plasate pe concentratoare de efort), senzori de alunecare sau senzori tactili. O categorie aparte de astfel de senzori o reprezintă pielea artificială ce are la bază proprietățile reflexiei și refracției luminii. Este vorba de senzorul cu fibră optică (fig. 1.2.3.1, a) și senzorii cu ghid optic tangențial (fig. 1.2.3.1, b), cei mai utilizați dintre variantele constructive ce folosesc fascicole luminoase.

Sistemul senzorial de securitate are rolul de a evita coliziunile când apar regimuri deficitare de funcționare sau obstacole neprevăzute. Noii algoritmi inteligenți de recunoaștere a paternului, împreună cu tehnologiile de realizare a camerelor digitale de luat vederi (CCD) de înaltă rezoluție, dau valențe noi acestui sistem senzorial permițând luarea deciziilor și stabilirea traiectoriilor de deplasare.

Cei mai utilizați senzori datorită raportului preț – precizie de poziționare sunt senzorii optici în infraroșu și senzorii cu ultrasunete, formați dintr-un emițător de undă și un receptor comandat în fază cu emițătorul. Funcționarea acestor senzori este puternic influențată de caracteristicile mediului (praf, fum, suprafețe reflectorizante, etc.).

Ca senzori de proximitate se mai folosesc senzori fluidici (cu jet de aer), capacitivi sau inductivi, senzori ce comandă relee sau microîntrerupătoare ce decuplează în situații critice alimentarea sistemului de acționare.

Acești senzori au prioritate în nivelul de întreruperi a sistemului decizional.

Sisteme de acționare și de transmisie a roboților

Sistemul de acționare se alege în funcție de clasa de operații ce trebuie executate, în funcție de modul de lucru, de viteza de deplasare, de viteza de deplasare, de sarcină și de spațiul de mișcare precum și de precizia de poziționare. Astfel există:

sisteme de acționare electrică (aproximativ 30% din numărul acestora),

sisteme de acționare pneumatice (cam 21% din cazuri),

sisteme de acționare hidraulice pentru sarcini mari și deplasări limitate în spațiu.

sisteme de acționare mixte (9% din variantele constructive) – de tip electropneumatic sau electrohidraulic.

Motoarele de acționare ale roboților trebuie să îndeplinească următoarele condiții:

să dezvolte cupluri ridicate;

să aibă gabarit și masă reduse;

să fie caracterizat printr-un moment de inerție scăzut pentru a permite poziționarea precisă;

să fie compatibil cu sistemul de comandă și cu sistemul senzorial;

să fie insensibil la perturbații.

Noutatea în domeniul acționărilor o constituie fibra musculară artificială, foarte utilizată în cazul androizilor. Acești mușchi artificiali modelează grosier funcționarea fibrei musculare umane dar pe lângă viteza de acționare scăzută, timpul mare de răspuns și limitarea posibilităților de deplasare spațială a brațului astfel acționat există și dezavantajul unei sarcini manipulate de valoare mică.

În figura de mai sus (fig. 1.2.4.1) sunt reprezentate diferitele tipuri de grafice de viteză: cel triunghiular, parabolic și respectiv cel trapezoidal.

Elemente de inteligență artificială

Rezultatele obținute până în momentul de fată în domeniul tehnic au dat și satisfacții. Pe scurt, inteligența artificială s-a definit chiar de la început ca fiind o combinație între știința computerelor, psihologie și filosofie, la nivelul la care aceasta dă o explicație creației și naturii umane. Bazele ei au fost puse de Turing care publica în 1950 „Computing Machinery and Inteligence”, de filosoful și matematic ianul Boole și de școala modernă de medicină.

S-a reușit modelarea pe computerele clasice a rețelelor neuronale, au fost create sisteme autoadaptive ce recunosc scrisul de mână și amprenta vocală, s-au implementat sisteme decizionale pe roboții trimiși în cosmos, pe fundul oceanelor sau în corpul uman pentru explorări.

Cele mai noi succese ale inteligenței artificiale sunt realizarea în 1997 în cadrul firmei IBM a computerului Deep Blue care nu a putut fi învins sub nicio formă în jocul de șah de către campionul mondial Garry Kasparov și apariția în comerțul de larg consum în anul 2000 a unor roboți ce pot exprima facial emoții.

Stadiul actual

Roboți seriali

Categoria de roboți seriali este una vastă și se poate împărți în mai multe categorii, dupa cum urmează:

roboți în coordonate carteziene

roboți in coordonate cilindrice

roboți în coordonate sferice

roboți în coordonate unghiulare

roboții trompoizi

Roboți în coordonate carteziene

Realizarea practică a unui robot cu cuple de translație perpendiculare impune existența cel puțin a unui element de legătură între două cuple consecutive.[telea]

Volumul de lucru este paralelipipedic și rezultă din modul de deplasare a cuplelor cinematice ale robotului in lungul celor trei axe x, y si z ale unui sistem cartezian de coordonate. Cele trei cuple cinematice ale robotului sunt cuple prismatice de tipul translației.

În figura 2.1.1.1 se poate observa acest volum de lucru, generat de componentele d1, d2 și d3.

Avantaje:

volum de lucru foarte mare, in comparatie cu volumul propriu al robotului dacă cuplele cinematice, pe cel putin 2 axe, permit deplasări de valori mari.

în cazul roboților suspendati, accesul mâinii robotului la posturile de lucru organizate dedesubt este foarte bun, robotul putând servi mult mai multe asemenea posturi

simplitatea comenzilor de mișcare, a algoritmilor de comandă, a celor de interpolare, precum și simplitatea structural-funcțională a echipamentului de comandă-programare și celor de interfațare.

[http://memm.utcluj.ro/materiale_didactice/sist_em1/pps/cursSEM7.pdf]

Dezavantaje:

accesul mainii robotului la posturile de lucru ale masinilor si instalatiilor este pe verticala, de jos in sus si usor oblic, fapt ce pentru unele procese tehnice este impropriu

structura suspendata de tip pod rulant, implică amplasarea locală (suspendată) a unora din echipamentele robotului și dificultăți în alimentarea cu energie, conexiuni electrice, etc.

Roboți în coordonate cilindrice

Coordonatele cilindrice corespund unei translații z după axa Oz, unei rotații, de unghi a, în jurul axei Oz și în fine a unei translații r după axa Ox, conform figurii 2.1.2.1.[telea]

Volumul de lucru generat este un toroid cilindric sau un sector de toroid cilindric. Cele trei cuple cinematice ale robotului sunt 2 cuple de tipul translației și una de rotație.

În figura de mai jos este prezentat volumul (spațiul de lucru) al acestui tip de robot.

Avantaje:

Accesul mai usor al mainii robotului in posturile de lucru ce impun accesul lateral Posturile de lucru se pot desfasura si pe verticala, sens in care se face o utilizare mai economica a suprafetei de productie

In acest tip de coordonate se pot obtine structuri mecanice rigide cu precizie buna de pozitionare

Dezavantaje:

Raportul volum de lucru/volum propriu mai mic decat in cazul celor in coordonate carteziene

Ocuparea unei zone circulare de raza r, din suprafata de productie

Flexibilitatea bratului robotului este mai redusa in operatiunile de manipulare ce solicita pozitionari dificile

[http://memm.utcluj.ro/materiale_didactice/sist_em1/pps/cursSEM7.pdf]

Roboți în coordonate sferice

Aceștia au în componența lanțului cinematic două cuple de rotație și o cuplă de translație, cu axe respectiv perpendiculare.[telea]

Punctul caracteristic se poate poziționa în orice punct al spațiului cuprins între două calote sferice.

Se subdivid in doua clase:

roboți cu braț telescopic

roboți articulați

Spațiul de lucru al unui robot în coordonate sferice arată ca în figura 2.1.3.1.

Roboți în coordonate unghiulare

Deoarece conțin trei cuple de rotație în lanțul cinematic de poziționare, acești roboți au o pronunțată asemănare structurală cu membrul superior uman, motiv pentru care sunt cunoscuți și sub denumirea de roboți antropomorfi.[telea]

Spațiul de lucru al unui astfel de robot este prezentat în figura de mai jos.

Roboții trompoizi

Roboții trompoizi (fig. 2.1.5.1) prin forma și cinematica lor amintesc de forma și cinematica trompei de elefant. Mecanismele pe baza cărora sunt construiți roboții trompoizi sunt mecanisme poliarticulate, cel mai des acționate prin intermediul firelor sau a cablurilor.

Gradul înalt de dexteritate ai acestor roboți îi face ideali pentru aplicații în spații înguste cu configurație complexă, presărate cu obstacole, cum ar fi caroserii de autovehicule, carcase sau alte construcții metalice ce necesită traiectorii complicate. Roboții trompoizi pot îndeplinii atât funcția de poziționare, cât și pe cea de orientare.

Creșterea dexterității conduce însă la scăderea apreciabilă a preciziei în îndeplinirea funcțiilor. Creșterea impreciziei în poziținarea și orientarea efectorului terminal este determinată de numărul mare al elementelor ce alcătuiesc astfel de mecanisme.

O eroare mică la nivelul elementului de intrare este amplificată de-a lungul lanțului de elemente în procesul de transmitere a mișcării. La aceasta se adaugă și faptul că impreciziile de execuție și chiar jocul prevăzut în cuple se cumulează datorită înlănțuirii elementelor. Astfel de roboți sunt utilizați în operații de vopsire, sudare, etc., în industria automobilelor.

Primele aplicații ale roboților trompoizi au fost dezvoltate pentru înlocuirea acrivității omului acolo unde prezența omului este imposibilă: medii radioactive, fundul oceanelor.[telea]

Spațiul de lucru specific unui astfel de robot este evidențiat în figura 2.1.5.2.

Elemente de acționare

În mecatronică și robotică, ca de altfel, în mai multe domenii, există mai multe tipuri de acționare. În funcție de aplicația ce urmează a fi realizată, se pot folosi una sau mai multe metode de acționare, fiecare aducând avantaje, dar și dezavantaje în proiectele în care acestea sunt folosite. Rămâne la latitudinea proiectantului să ia cea mai avantajoasă decizie.

În acest subcapitol, voi prezenta principalele tipuri de acționare, folosite in mecatronică și robotică.

Acționare electrică

Noțiunea de acționare presupune efectuarea unui lucru mecanic. Prin acționare electrică se înțelege că energia mecanică se obține de la un motor electric. În sensul clasic, o acționare electrică cuprinde:

S.E.E. – sursa de energie electrică, ce furnizează energia electrică având parametrii corespunzători funcționării motorului electric.

M.E. – motorul electric transformă energia electrică în energie mecanică, cu anumiți parametrii. De regulă, această energie se materializează printr-o mișcare de rotație astfel încât parametrii ce o caracterizează sunt:

m – cuplu [N*m.]

ω – viteza unghiulară [rad/s]

p – puterea

M.T. – mecanismul de transmisie. Are rolul de a adapta parametrii energiei mecanice, furnizați de motorul electric, la cerințele mașinii de lucru [M.L]. Uneori poate schimba și tipul mișcării (de exemplu mecanismul bielă-manivelă care transformă mișcarea de rotație în mișcare de translație sau invers). Parametrii ce caracterizează mecanismul de translație sunt:

i – raportul de transmisie randamentul mecanismului de transmisie

η – randamentul mecanismului de transmisie

M.L. – mașina de lucru, reprezintă instalația care transformă energia mecanică în lucru util sau produs finit. Exemple: tramvaiul, locomotiva, mașini-unelte, roboții, roboții casnici, etc. Acționările electrice au ponderea cea mai mare în consumul de energie electrică. Se precizează ca peste 60% din energia electrică produsă este folosită în acționările electrice.

Dezvoltarea electronicii de putere și a electronicii de comandă a determinat apariția unui flux informațional foarte important dar și completarea structurii energetice astfel încât, în prezent, se discută despre sisteme de acționare electrică.

[http://www.em.ucv.ro/images/EuSite/HOME/STRUCTURA/PERSONALDIDACTICSIAUXILIAR/PAGINIPERSONALE/MihaitaLinca/Masini_si_actionari_electrice_II.pdf]

Actuatorii electrici pot fi de mai multe tipuri constructive și funcționale. Unele din cele mai raspândite, sunt:

motoarele electrice de curent continuu

motoarele electrice de curent alternativ

motoarele pas cu pas

servomecanismele

solenoizii

Motoarele electrice de curent continuu

Motorul de curent continuu a fost inventat în 1873 de Zénobe Gramme prin conectarea unui generator de curent continuu la un generator asemănător. Astfel, a putut observa că mașina se rotește, realizând conversia energiei electrice absorbite de la generator.

Motorul de curent continuu are pe stator polii magnetici și bobinele polare concentrate care creează câmpul magnetic de excitație. Pe axul motorului este situat un colector ce schimbă sensul curentului prin înfășurarea rotorică, astfel încât câmpul magnetic de excitație să exercite în permanență o forță față de rotor.

În funcție de modul de conectare a înfășurării de excitație, motoarele de curent continuu pot fi clasificate în:

motor cu excitație independentă – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt conectate la două surse separate de tensiune

motor cu excitație paralelă – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt legate în paralel la aceași sursă de tensiune

motor cu excitație serie – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt legate în serie

motor cu excitație mixtă – unde înfășurarea statorică este divizată în două înfășurări, una conectată în paralel și una conectată în serie.

Înfășurarea rotorică parcursă de curent va avea una sau mai multe perechi de poli magnetici echivalenți. Rotorul se deplasează în câmpul magnetic de excitație până când polii rotorici se aliniază în dreptul polilor statorici opuși. În același moment, colectorul schimbă sensul curenților rotorici astfel încât polaritatea rotorului se inversează și rotorul va continua deplasarea până la următoarea aliniere a polilor magnetici.

Pentru acționări electrice de puteri mici și medii, sau pentru acționări ce nu necesită câmp magnetic de excitație variabil, în locul înfășurărilor statorice se folosesc magneți permanenți.

Turația motorului este proporțională cu tensiunea aplicată înfășurării. Aceasta se reglează prin varierea tensiunii aplicată motorului, până la valoarea nominală a tensiunii, iar turații mai mari se obțin prin slăbirea câmpului de excitație. Ambele metode vizează o tensiune variabilă ce poate fi obținută folosind un generator de curent continuu prin înserierea unor rezistoare în circuit sau cu ajutorul electronicii de putere.

Schimbarea sensului de rotație se face fie prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare, fie prin schimbarea sensului câmpului magnetic de excitație. La motorul serie, prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare se realizează schimbarea sensului ambelor mărimi și sensul de rotație rămâne neschimbat. Așadar, motorul serie poate fi folosit și la tensiune alternativă, unde polaritatea tensiunii se inversează odată în decursul unei perioade. Un astfel de motor se numește motor universal și se folosește în aplicații casnice de puteri mici și viteze mari de rotație (aspirator, mixer).

In figura 2.2.1.1.2 este reprezentat schematic un mod de schimbare a sensului de rotație a unui motor de curent continuu (cu ajutorul punții H). Pentru acest lucru, se folosesc 4 întrerupătoare, o sursă de alimentare și motorul căruia se dorește schimbarea sensului de rotație.

Se poate observa că, acționând anumite întrerupătoare (A1 și A2), curentul electric trece de la stânga la dreapta motorului, determinând motorul sa se rotească într-un anumit sens. Acționând B1 și B2, curentul trece in sens opus (de la dreapta la stânga), rezultând astfel alt sens de rotație.

În figura de mai sus (2.2.1.1.3), este o altfel de reprezentare a punții H, de data aceasta folosind tranzistori, în loc de întrerupatoare. Dacă, cu ajutorul unui microcontroller, legăm la terminalul A 5 volți, și la terminalul B 0 volți, motorul se va învârti într-un sens. Inversând polaritatea terminalelor A și B, tot din microcontroller, motorul se va roti în sens opus.

Motoarele pas cu pas

O definiție simplă a motorului pas cu pas este: un dispozitiv electromecanic care convertește impulsurile electrice în mișcări mecanice.

Axul motorului pas cu pas execută o mișcare de rotație în pași incrementali când este aplicată în secvența corectă o comandă electrică în pulsuri. Rotația motorului este strâns legată de caracteristicile acestor impulsuri electrice. Astfel direcția de rotație a motorului este direct legată de secvența în care sunt aplicate pulsurile electrice, de asemenea și viteza de rotație este direct dependentă de frecvența impulsurilor electrice iar deplasarea unghiulară este direct dependentă de numărul de pulsuri electrice aplicate.

În comparație cu alte tipuri de motoare (motoarele de curent continuu), motorul pas cu pas are o serie de avantaje:

rotația unghiulară a motorului este proporțională cu pulsul electric aplicat

motorul are moment maxim în poziția oprit dacă bobinele sunt alimentate

poziționare precisă, cu o eroare de 3-5% la un pas, care nu se cumulează de la un pas la altul

răspunsuri excelente la pornit/oprit/schimbarea direcției de rotație

fiabilitate excelentă deoarece nu există perii de contact la motor, deci durata de funcționare depinde de rulment

posibilitatea de a obține viteze foarte mici cu sarcina legată direct pe axul motorului

gamă foarte largă de viteze de rotație

Există și unele dezavantaje:

rezonanța poate apărea în cazul unui control deficitar

controlul greoi la viteze foarte mari [http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/MPP_Constructie_Functionare.pdf]

Controlul rotației nu este neapărat necesar, tocmai datorită preciziei de mișcare a acestuia. Probleme apar atunci când bobinele nu sunt alimentate și motorul nu se poate opune mișcării exterioare ce poate acționa asupra lui. În aceste condiții, nu se mai poate ști cu exactitate în ce poziție se află motorul (sau câte rotații/grade a efectuat).

Pentru a preveni această inconveniență, pe axul motorului pas cu pas se poate monta un traductor de rotație (encoder) care indică cu acuratețe numărul de rotații efectuate de motor.

În figura de mai jos este prezentat schematic o secțiune printr-un astfel de motor, și modul de acționare a acestuia.

Performanța unui motor pas cu pas depinde foarte mult de parametrii mecanici ai sarcinii. Sarcina este definită ca acel lucru pe care motorul trebuie să-l acționeze.

Sarcina motorului apare de obicei datorită frecării sau inerției precum și o combinație a celor două. Frecarea este rezistența opusă mișcării datorată asperității suprafețelor care se ating una de alta. Frecarea este proporțională cu viteza. Pentru a efectua un pas este nevoie de un moment cel puțin egal cu frecarea. Odată cu creșterea sarcinii, crește și frecarea, deci viteza scade, deci accelerația crește și totodată crește eroarea de poziție.

Astfel trebuie să se țină cont în alegerea motorului pas cu pas de sarcina pe care trebuie să o acționeze și de condițiile tehnologice care trebuie îndeplinite (viteză, accelerație, poziționare cu eroare cât mai mică etc.) Inerția poate fi definită ca fiind opoziția la schimbările de viteză.

Rotorul va oscila odată cu creșterea/scăderea sarcinii inerțiale și/sau frecării. Această relație nedorită între oscilația rotorului, inerție și frecare poate fi redusă prin amortizare mecanică dar mai simplu este eliminarea (sau mai bine zis amortizarea, căci aceste oscilații nu pot fi eliminate complet) acestor oscilații nedorite pe cale electrică prin schimbarea din modul de pășire întreg în modul de pășire jumătate de pas.

O caracteristică importantă a unui motor pas cu pas este răspunsul unghiular la efectuarea unui pas. [http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/MPP_Constructie_Functionare.pdf]

Un grafic ce reprezintă timpul de răspuns al unui motor pas cu pas se regăsește în figura 2.2.1.2.2.

În această figură se pot observa oscilațiile unghiului dorit, care se amortizează în timp.

Servomecanismele

Acest tip de motoare se controlează prin intermediul unui semnal de comandă PWM (Pulse Width Modulation). Modularea lățimii pulsului reprezintă o succesiune de impulsuri, generate, de obicei, de un microcontroller, care este variabil în timp.

Raportul dintre lățimea pulsului și perioada de oscilație reprezintă așa numitul “Duty cycle”, adică ciclulde lucru.

Un exemplu de astfel de semnal se regăsește în figura de mai jos.

Tensiunea de 5V reprezintă maximul atins de acest tip de semnal, iar 0V reprezintă minimul. În practică se ia drept referință tensiunea de 5 volți deoarece foarte multe microchipuri funcționează cu acest tip de logică. De asemenea, se mai pot folosi și valori de 0 și 1 pentru reprezentarea valorilor maxime și minime.

Servomecanismele primesc acest tip de semnal de comandă și îl interpretează și transformă in mișcare de rotație. Acestea au nevoie, de obicei, de frecvențe în intervalul 40-200 Hz, cu o distanță între pulsuri de aproximativ 20 de milisecunde. În funcție de lățimea de puls primită de servomecanism, acesta se rotește (de obicei într-un interval de 180 de grade). Există, de asemenea, servomecanisme de rotație continuă.

În figura 2.2.1.3.2 este prezentat un astfel de actuator.

Servomecanismul are în alcătuirea sa următoarele elemente principale:

controller

motor de curent continuu

angrenaj de roți dințate (reductor de turație)

potențiometru

carcasă

ax principal

Semnalul primit de la un microcontroller este procesat de controller-ul servomecanismului, acesta dând mai departe semnal motorului de curent continuu, acesta începând să se învârtă.

Prin intermediul angrenajului de roți dințate, mișcarea de rotație a motorului este transmisă către axul principal.

Tot datorită angrenajului, turația scade și momentul crește, facilitând astfel rotația unei sarcini.

Controlul poziției axului principal este realizat de potențiometrul montat pe acesta, împreună cu o buclă de reacție cu feedback negativ.

Schema unei astfel de bucle de reacție este prezentată în figura de mai jos.

Solenoizii

Solenoizii sunt un tip de actuator electromagnetic care transformă un semnal electric într-un câmp magnetic, care, la rândul lui, produce o mișcare liniară. Aceștia pot fi acționați cu ajutorul tranzistorilor sau cu ajutorul unui MOSFET.

Solenoizii sunt alcătuiți dintr-o bobină, înfășurată în jurul unui cilindru, ce conține un actuator feromagnetic. Acesta este liber să se miște „înăuntru” sau „afară”, printr-o mișcare de “dute-vino”.

Există mai multe tipuri de solenoizi, cei mai reprezentativi fiind cei rotativi și liniari, aceștia având configurația de a fi energizați continuu sau secvențial (pornit-oprit).

Atunci când curentul electric trece printr-un fir conductor, acesta generează un câmp magnetic, și direcția acestui câmp, față de polul nord și sud este determinată de direcția curentului electric ce trece prin fir. Bobina devine, astfel, un electromagnet cu propriul pol nord și sud, exact ca un magnet permanent.[ http://www.electronics-tutorials.ws/io/io_6.html]

Puterea acestui câmp magnetic poate fi crescută sau redusă prin controlarea curentului prin bobină sau prin schimbarea numarului de spire ale bobinei.

În figura de mai jos este prezentat un electromagnet.

În momentul în care curentul trece prin bobină, aceasta se comportă ca un electromagnet și tija din interiorul acesuia este atrasă înspre centrul bobinei de către fluxul magnetic din bobină, care comprimă un arc atașat de capătul tijei. Forța și viteza tijei este determinată de forța fluxului magnetic generat in bobină.

Când sursa de curent este oprită, câmpul magnetic generat anterior dispare și energia stocată în arc (forța elastică) trage tija în poziția inițială a acesteia.

În figura de mai jos este reprezentat un solenoid liniar.

Acest tip de actuatori poate fi folosit într-o gamă largă de aparaturi. Niște exemple ar fi: industria auto, distribuitoare hidraulice/pneumatice, valve, etc.

Avantajele acestui tip de acționare sunt custurile relativ mici, viteze mari de acționare, forțe relativ mari.

Dezavantaje ar fi limitarea la mișcări secvențiale, sacadate, necesitatea de componente în plus pentru protecția circuitelor de comandă.

Acționare hidropneumatică

Atât în acționările hidraulice, cât și în cele pneumatice, mediul folosit pentru realizarea actuării este un fluid. Aceste două tipuri de acționare sunt destul de similare, unele din deosebiri sunt faptul că la acționările hidraulice se folosește, preponderent, uleiul iar la cele pneumatice, aerul.

În hidraulică se pot obține forțe mari de acționare, cu dezavantajul de a avea viteze mici și un mediu de lucru nu tocmai curat. La acționările pneumatice se folosește un gaz pentru realizarea acționării, se pot obține viteze mari dar forțe destul de mici datorită compresibilității gazelor.

Acționare hidraulică

Sistemul de acționare hidraulică este un sistem fizic de acționare compus din generator (pompă), motor și instalații anexe.

Generatorul (adică pompa hidraulică) are rolul de a produce energia hidraulică. Motorul primește energia sub forma unei mase de lichid puse în mișcare de generator și o transformă în energie mecanică. Instalațiile anexe sunt elemente secundare care ajută procesul principal de transformare a energiei hidraulice în energie mecanică.

Ele pot fi: manometre de control, racorduri, conducte rigide și flexibile, supape, filtre, radiatoare, rezervor presurizat, orificii de ungere și scurgere, prize de legătură. Energia mecanică rezultată este destinată punerii în mișcare a unui dispozitiv final.

[https://ro.wikipedia.org/wiki/Sistem_de_ac%C8%9Bionare_hidraulic%C4%83]

În figura de mai jos este prezentată o schemă hidraulică, capabilă de a comanda mișcarea unui motor hidraulic liniar în două sensuri de mișcare.

Datorită fatului că acest tip de acționare poate fi de cele mai multe ori “greoaie”, se preferă folosirea alternativei acesteie, și anume acționarea pneumatică. Totuși, acolo unde este nevoie de forțe mari, se folosește acționarea hidraulică.

Acționare pneumatică

Acest sistem de acționare se folosește de o pompă, un motor, instalații anexe și un gaz (de obicei aerul atmosferic) pentru a obține lucru mecanic.

Instalațiile pneumatice sunt similare celor hidraulice.

În figura de mai jos este reprezentat un exemplu de folosire al acestui sistem de acționare, în mecatronică.

În această figură se pot observa un număr de 5 motoare pneumatice liniare care au rolul de a acționa cele 5 degete de la mâna umanoidă.

Concluzie: am ales să folosesc pentru brațul robotic, ca element de acționare, servomecanismele datorită faptului că sunt un sistem destul de avansat de acționare, cu controller și buclă de reacție integrate și pot dezvolta un cuplu suficient pentru această aplicație.

Elemente de comandă și control

Pentru comanda și controlul sistemelor mecatronice și robotice se pot folosi o varietate de variante. Cele mai populare și de actualitate sunt:

automatele programabile (PLC-urile)

microcontrollerele

Automatele programabile

Automatele programabile poartă mai multe denumiri, în funcție de limba în care se face referire la acestea. În limba română :

automat programabil (AP)

echipament cu logică programabilă (ELP)

În limba engleză:

programable logic controller (PLC)

În limba germană:

Speicherprogrammierbare steuerung

Acestea sunt realizate de mai mulți producători, cum ar fi Siemens (Simatic S7), Omron, Schneider Telemecanique, etc.

Automatele programabile interacționează cu procesul automatizat cu ajutorul intrărilor și ieșirilor. Intrările citesc starea elementelor din proces, care sunt conectate la acestea. Intrări pot fi senzori, butoane, microlimitatori, etc. La ieșiri se generează comenzi de activare/dezactivare a actuatorilor conectați la acestea. Ieșiri pot fi electromagneți, bobine, becuri, motoare, etc. Pentru interacțiunea cu procesul automatizat, automatele programabile folosesc un programcare se execută ciclic, în conformitate cu figura de mai jos. [curs breaz]

O valoare uzuală pentru un ciclu complet de program este de 10 microsecunde.

Automatele programabile sunt alcătuite din mai multe microchipuri, circuite integrate și memorii și au ca ieșiri relee sau tranzistori.

Avantajul ieșirilor cu relee este faptul că se pot utiliza curenți mai mari de către consumatorii controlați de automatul programabil. Dezavantajul acestora este viteza relativ mică de comutație de la o stare la alta. Avantajul ieșirilor cu tranzistor este viteza mare de comutație, dezavantajul constând în faptul că nu se pot folosi curenți așa mari de către actuatorii legați la aceștia.

Automatele programabile pot veni în configurație cu destul de multe ieșiri, ceea ce este un avantaj foarte mare pentru un proces automatizat, și au abilitatea de a utiliza multe întreruperi de program pentru asigurarea siguranței procesului. Toate acestea, însă vin, din păcate, cu un cost relativ mare.

Programarea automatelor programabile

Există mai multe moduri de programare, majoritatea automatelor programabile având abilitatea de a folosi mai multe “limbaje” de programare pentru același proces. Exemple de programare sunt:

programarea cu listă de instrucțiuni (menomonice). Această modalitate de programare este de tip text și sintaxa instrucțiunilor diferă de la un automat la altul, cu anumite elemente comune

programarea cu diagrame ladder. Este un mod de programare grafic în care se folosesc un set de simboluri pentru intrări, ieșiri, cronometre, etc.

programarea cu diagrame cu blocuri de funcții. Este tot un mod grafic de programare ce utilizează simboluri specifice.

programare cu limbaje de nivel înalt. Aici un exemplu de limbaj de programare este limbajul “C”. Cu ajutorul acestui limbaj se pot programa instrucțiuni mai complexe, cum ar fi regulatoarele PID. De asemenea, se pot folosi ieșirile de tip analogic.

alte metode dezvoltate de producători, care sunt particulare pentru aceștia

Microcontrollerele

La modul general, microcontrollerul este o structură electronică destinată controlului unui anumit proces. Primele astfel de controllere au fost realizate strict cu ajutorul componentelor electronice și/sau componentelor electromecanice, de tipul releelor.

Actualmente, acestea reprezintă un ansamblu complex de componente analogice și digitale ce concură în a reduce costurile, dimensiunile, consumul și în îmbunătățirea fiabilității.

La ora actuală există foarte mulți producători de astfel de dispozitive, cum ar fi:

analog devices

atmel

freescale

fujitsu

intel

Exemple de microcontrollere:

Arduino

Microcip PIC

MSP 430

Intel Gallileo

BeagleBone

Tipuri de arhitecturi

Arhitectura “Harvard”, la care există spații de memorie separate pentreu program și date. În consecință ar trebui să existe și magistrale separate (de adrese și date) pentru codul instrucțiunilor și respectiv pentru date.

Arhitectura “CISC”: Aproape toate microcontrolerele au la baza realizării CPU conceptul CISC (Complex Instruction Set Computer). Aceasta înseamnă un set uzual de peste 80 instrucțiuni, multe din ele foarte puternice și specializate.

Arhitectura “RISC” (Reduced Instruction Set Computer) este un concept de realizare a CPU care a început să fie utilizat cu succes de ceva timp și la realizarea microcontrolerelor. Prin implementarea unui set redus de instrucțiuni care se pot executa foarte rapid și eficient, se obține o reducere a complexității microcircuitului, suprafața disponibilizată putând fi utilizată în alte scopuri.

[https://ro.wikipedia.org/wiki/Microcontroler#Arhitecturi_de_tip_.22_Harvard_.22]

Programarea microcontrollerelor

Limbajul mașină și de cel de asamblare

Limbajul mașină (instrucțiunile mașină) este singura formă de reprezentare a informației pe care un microcontroler o "înțelege" (ca de altfel orice alt sistem de calcul). Din păcate această formă de reprezentare a informației este total nepractică pentru un programator, care va utiliza cel puțin un limbaj de asamblare, în care o instrucțiune (o mnemonică cu operanzii aferenți) are drept corespondent o instrucțiune în limbaj mașină (excepție fac macroinstrucțiunile disponibile la unele asambloare). Un program în limbaj de asamblare este rapid și compact. Aceasta nu înseamnă că un astfel de program, prost scris, nu poate fi lent și de mari dimensiuni, programatorul având controlul total pentru execuția programului și gestiunea resurselor.

Limbajul de asamblare este primul care trebuie învățat, chiar sumar, atunci când dorim să proiectăm o aplicație hard/soft cu un anume microcontroler (familie), el permițând înțelegerea arhitecturii acestuia și utilizarea ei eficientă.

Interpretoare

Un interpretor este o implementare a unui limbaj de nivel înalt, mai apropiat de limbajul natural. Este de fapt un program care, în acest caz, rulează pe o platformă de calcul de tip microcontroler. Caracteristic pentru execuția unui program interpretat, este citirea și executarea secvențială a instrucțiunilor (instrucțiune cu instrucțiune). De fapt fiecare instrucțiune de nivel înalt este interpretată într-o secvență de instrucțiuni mașină care se execută imediat.

Compilatoare

Un compilator combină ușurința în programare oferită de un interpretor (de fapt de limbajul de nivel înalt) cu o viteză mai mare de execuție a codului. Pentru aceasta programul, în limbaj de nivel înalt, este tradus direct în limbaj mașină sau în limbaj de asamblare (urmând a fi apoi asamblat). Codul mașină rezultat are dimensiuni relativ mari (dar mai mici decât cel interpretat) și este executat direct, ca un tot, de microcontroler. De regulă codul generat poate fi optimizat fie ca dimensiune, fie ca timp de execuție. Se pot enumera compilatoare pentru limbajele: C, BASIC, Pascal, PL/M (Intel), Forth.

Asemeni automatelor programabile, microcontrollerele au intrări și ieșiri. Spre deosebire de acestea, însă, microcontrollerele sunt mult mai ieftine, au ieșiri digitale și intrări analogice și digitale. Pentru a simula o ieșire de tip analogic, microcontrollerele se folosesc de un semnal PWM ce poate controla tensiunea de ieșire de pe pinii acestora, pentru a controla actuatori (motoare, tranzistori, LED-uri, etc).

Ca existență a intreruperilor, acestea sunt, de obicei, înumăr mai mic față de cele din automatele programabile. Cu toate acestea, microcontrollere sunt folosite într-o gamă largă de aplicații, de la cele industriale până la cele de nivel “hobby”.

Microcontrollerul Arduino Nano

Acest tip de microcontroller este unul redus ca dimensiuni și “prietenos” în ceea ce privește programarea și conectarea cu diverse intrări și ieșiri. Acesta folosește un microchip de tipul Atmega 328, folosește un compilator de tip AVR-GCC (Alf and Vegard's RISC – GNU Compiler Collection) și o interfață ușor de utilizat, pentru cunoscătorii limbajului de programare “C”.

Acest microcontroller are un număr de 14 intrări/ieșiri digitale, dintre care 6 sunt capabile de Hardware PWM, și 8 ieșiri analogice.

Ca tensiune de alimentare, acesta acceptă între 7 și 20 de volți, ca logică, poate folosi atât logica de 5 volți cât și cea de 3,3 volți.

Curentul maxim suportat este de 40 mA, de aceea se folosesc drivere sau tranzistori pentru utilizarea de curenți mai mari pentru ieșiri.

Ca memorie, microcontrollerul Arduino Nano are 32 KB de memorie flash, din care 2KB sunt utilizați de bootloader, 2KB memorie SRAM și 1KB de memorie EEPROM.

Tactul acestui microcontroller este de 16 Mhz.

Concluzie: am ales să folosesc acest microcontroller pentru realizarea brațului robotic pentru faptul că este versatil, accesibil din punctul de vedere al prețului și facil de programat.

De asemenrea, existența multitudinii de librării pentru acest microcontroller care facilitează programarea reprezintă un alt motiv de alegere al acestuia. Alte tipuri de microcontrollere ar fi fost, de asemenrea potrivite.

Senzori

Senzorii sunt acele componente electronice, module sau subsisteme a căror scop este de a detecta evenimente în mediul în care aceștia sunt folosiți și de a trimite informația captată, altor componente electronice (microcontrollere, microprocesoare, etc).

Pentru brațul robotic proiectat, se pretează folosirea de senzori de rotație, pentru a determina poziția unghiulară a elementelor cinematice, față de cuplele cinematice de rotație.

În subcapitolele ce urmează voi prezenta principalele tipuri de senzori de rotație.

Traductoare de rotație (encodere)

Aceste tipuri de traductoare sunt niște componente electromecanice care transformă poziția unghiulară (sau mișcarea) într-un semnal analog sau digital.

Există 2 tipuri principale:

absolute

incrementale

Semnalul de ieșire, provenit de la cele absolute indică poziția curentă a axului ce se rotește. Semnalul celor incrementale asigură informații despre mișcarea axului în rotație, care este, de obicei, procesată sub formă de viteză, distanță și poziție.

Traductoare absolute

Acestea produc un semnal digital unic pentru fiecare unghi distinct al axului. Există mai multe categorii de astfel de encodere:

mecanice

optice

magnetice

capacitive

Cele mecanice conțin un disc metalic cu mai multe deschizături, disc care e fixat pe un alt disc izolator din punct de vedere electric. Un rând de contacte ce alunecă pe aceste discuri este fixat de un obiect staționar astfel încât fiecare contact trece peste discul de metal, la diferite distanțe de axul rotativ.

Odata cu rotația discului, unele contacte ating partea metalică, pe când altele trec peste golurile din disc. Discul metalic este conectat la o sursă de tensiune și fiecare contact este conectat la câte un senzor. Forma unică a discului metalic permite ca fiecare poziție a traductorului să creeze un anumit cod binar, datorită conducerii sau izolării contactelor.

Deoarece acest tip de traductor este supus mult uzurii, este mai puțin folosit. În general, se folosește în aplicațiile unde este nevoie de viteză mică, ca de exemplu în controlul volumului sunetului dintr-un receptor radio.

Traductoarele optice sunt realizate din sticlă sau plastic, cu zone transparente și opace. O sursă de lumină și o rețea de fotodetectori citesc șablonul optic rezultat, obținut prin poziționarea discului, în orice moment. Codul binar rezulatt poate fi citit de un microcontroller, cu scopul de a determina unghiul axului rotativ.

Traductoarele magnetice folosesc o serie de magneți pentru a reprezenta poziția encoderului, unui senzor magnetic. Senzorul magnetic citește poziția polilor magnetici și rezultă astfel un cod binar ce poate fi folosit de un microcontroller pentru a determina unghiul axului, similar cu cazul traductorului optic.

Encoderele capacitive sunt alcătuite dintr-un disc asimetric ce se rotește în traductor. Discul va schimba capacitatea dintre 2 electrozi, lucru ce poate fi folosit în calculul unei valori unghiulare.

Traductoare incrementale

Acest tip de traductor generează semnale ciclice, doar în momentul în care axul acestuia se rotește. Se pot diferenția encodere mecanice, optice sau magnetice.

Cele mecanice au de regulă nevoie de “debouncing” și sunt utilizate, de obicei, în echipamente de tipul electronicelor de larg consum. Majoritatea sistemelor audio moderne casnice sau auto folosesc acest tip de traductor pentru controlul volumului. Datorită nevoii de debouncing, aceste traductoare sunt limitate la viteze inferioare, dar sunt cel mai des folosite datorită costului mic și a abilității de a genera semnale care pot fi interpretate cu ușurință pentru a procesa informații, ca de exemplu, viteza.

Cele optice sunt folosite pentru viteze mai mari și pentru aplicațiile unde este nevoie de o precizie mai mare.

Datorită faptului că se poate determina sensul de rotație, se pot realiza măsurători foarte precise.

Acestea au semnalele de ieșire (A și B) numite semnale de cvadratură datorită defazajului cu 90 de grade dintre ele. În figura de mai jos sunt prezentate aceste semnale de ieșire, sub forma unui cod binar, pentu sensul orar și cel antiorar de rotație.

Potențiometre

Potențiometrul este un rezistor cu 3 terminale, ce conține un contact de translație sau rotație, care alcătuiesc un divizor de tensiune. Dacă sunt folosite doar 2 terminale, potențiometrele se comportă ca un rezistor variabil sau reostat.

Potențiometrele sunt folosite, uzual, pentru a controla dispozitive electrice, ca de exemplu controllere de volum audio. Acestea pot fi folosite, de asemenea, ca traductoare de poziție, de exemplu, într-un joystick.

Potențiometrele nu pot fi utilizate pentru un control semnificativ de putere (pentru mai mult de un Watt) datorită faptului că puterea disipată în acesta este comparabilă cu cea din sarcina ce este controlată.

Construcția potențiometrelor

Majoritatea potențiometrelor au în componență un element rezistiv (B), sub forma unui arc de cerc, de obicei cu o lungime mai mică decât o tură completă, și un cursor (C), care alunecă pe acesta în momentul rotirii și face contact electric.

Fiecare capăt al elementului rezistiv este conectal la un terminal (E și G), pe carcasă. Cursorul este conectat la terminalul al treilea (F), care se regăsește intre cele 2 mai sus menționate.

Structuri actuale de brațe robotice

Modelul matematic

Pentru proiectarea acestui braț robotic, este nevoie de folosirea unor fundamente matematice cu scopul stabilirii ecuațiilor cinematice, forțelor din prehensor și pentru dimensionarea motoarelor.

Toate aceste calcule se regăsesc în subcapitolele ce urmează.

Calculul motoarelor

Pentru calculul celor 5 motoare, am realizat, mai întâi, o schemă cinematică a robotului, din care va rezulta modul în care forțele (atât de greutate ale elementelor și motoarelor, cât și forța exercitată de sarcina pe care robotul trebuie să o manipuleze) acționează asupra întregului sistem.

În figura 3.1.1 este prezentată schema cinematică.

Calculul motoarelor 1 și 2 (M1 și M2)

Datorită faptului că motoarele 1 și 2 sunt supuse la aceleași încărcări, calculul următor se referă la ambele motoare.

În figura de mai sus (Fig. 3.1.1.1) se pot observa forțele ce acționeaza asupra cuplelor, și anume, forțele de greutate ale fiecariu element cinematic și forța de greutate a obiectului ce va fi manipulat.

Ecuațiile necesare sunt:

G1 = m1·g

G2 = m2·g

G3 = m3·g

Gobiect = mobiect·g

unde m1, m2, m3, mobiect reprezintă masele elementelor cinematice, respectiv masa obiectului din gripper, g reprezină accelerația gravitațională (aproximată la 9,81 m/s2) iar G1, G2, G3 și Gobiect reprezintă forțele de greutate.

Momentele (cuplurile) rezistente au următoarele ecuații:

M1 = G1·l1

M2 = G1·l2

M3 = G1·l3

M4 = Gobiect·l4

unde M1, M2, M3, M4 reprezintă momentele și l1, l2, l3, și l4 reprezintă brețele forțelor (distanțele din cuple, până la centrele de greutate).

Momentul total este Mt1=M1+M2+M3+Mobiect.

Pentru următoarele motoare, notațiile sunt asemănătoare. Valorile complete se regăsesc în anexă, pentru toate elementele din alcătuirea robotului.

Calculul motorului 3 (M3)

În figura de mai jos (Fig. 3.1.2.1) se pot observa forțele ce acționeaza asupra cuplelor, și anume, forțele de greutate ale fiecarui element cinematic și forța de greutate a obiectului ce va fi manipulat, toate acestea pentru calculul motorului 3.

Ecuațiile ce duc la aflarea forțelor de greutate sunt următoarele:

G4=m4·g

G5=m5·g

Gobiect=mobiect·g

unde G4, G5 și Gobiect sunt forțele de grutate, m4, m5 și mobiect sunt masele elementelor cinematice, iar g reprezintă accelerația gravitațională.

Ecuațiile care duc la aflarea momentelor sunt:

M5= G4·l5

M6= G5·l6

M7= Gobiect·l7

Mt2=M5+M6+M7

unde M5, M6, M7, Mt2 reprezintă cele 3 momente, respectiv momentul total iar l5, l6 și l7 reprezintă distanțele din cuple, până la centrele de greutate. Momentul total reprezintă o însumare a celor 3 momente (M5, M6 și M7).

Calculul motorului 4 (M4)

În figura de mai jos (Fig. 3.1.3.1) se pot observa forțele ce acționeaza asupra cuplelor, și anume, forțele de greutate ale fiecarui element cinematic și forța de greutate a obiectului ce va fi manipulat, toate acestea pentru calculul motorului 4.

Ecuațiile ce duc la aflarea forțelor de greutate sunt următoarele:

G6=m5·g

Gobiect=mobiect·g

unde G6 și Gobiect sunt forțele de grutate, m5 și mobiect sunt masele elementelor cinematice iar g este accelerația gravitațională.

Ecuațiile care duc la aflarea momentelor sunt:

M8= G6·l8

M9= Gobiect·l9

Mt3=M8+M9

unde M8, M9, Mt3 reprezintă cele 2 momente, respectiv momentul total iar l8 și l9 reprezintă distanțele din cuple, până la centrele de greutate. Momentul total reprezintă o însumare a celor 2 momente (M8 și M9).

Calculul motorului 5 (M5)

În figura de mai jos (Fig. 3.1.4.1) se poate observa forța ce acționeaza asupra cuplei, și anume, forța de greutate a obiectului ce trebuie manipulat.

Pentru calculul acestui motor, am așezat obiectul ce va fi prins in gripper într-o poziție limită, astfel încât acesta să exercite un cuplu maxim asupra motorului 5.

Ecuațiile sunt următoarele:

Gobiect=mobiect·g

M10= Gobiect·l10

Mt4=M10

unde Gobiect reprezintă forța de greutate a obiectului de manipulat, mobiect reprezintă masa acestuia, M10 reprezintă momentul, iar l10 reprezintă lungimea obiectului.

Calculul forțelor din prehensor

Pentru a realiza acest calcul, considerăm prehensorul în poziția din figura 3.2.1.

G reprezintă forța de greutate a obiectului, m masa acestuia, Ff reprezintă forța de frecare iar Fsx/2 reprezintă forțele de strângere ale prehensorului.

Ecuația generală a forței de frecare este:

Ff = μ·N (1)

unde μ reprezintă coeficientul de frecare, iar N, normala la suprafață. În cazul de față, normala este reprezentată de Fsx/2.

Ff = μ· Fsx/2 (2)

Pe axa Z avem:

Ff – G=0 (3)

Din ecuația (3) rezultă că:

Ff = G (4)

Din (2) și (4) rezultă că:

μ· Fsx/2=G (5)

Din (5) rezultă că:

Fsx = (2·G)/ μ (6)

În figura de mai jos (Fig. 3.2.2) este reprezentată descompunerea forței rezultate din momentul generat de servomecanism.

Cu ajutorul acestei descompuneri, se calculează mai departe momentul necesar realizării strângerii.

Fs = Fsx/cos(α) (7)

Din (6) și (7) rezultă că:

Fs= ((2·G)/ μ) /cos(α) (8)

În final, rezultă că momentul necesar este:

Ms = (((2·G)/ μ) /cos(α)) ·d

Cu acest moment (Ms) se va alege servomecanismul care să aibă minim acest moment. Rezultatul este în N·m, iar majoritatea specificațiilor servomecanismelor în ceea ce privește cuplul sunt în Kg·cm.

Pentru această transformare, rezultatul în N·m se va înmulți cu 10.

Cinematica robotului

Cinematica studiază mișcarea corpurilor, fără a ține seama de forțele sau momentele ce cauzează mișcarea. Cinematica roboților se referă la studiul mișcării unui manipulator robotic. Formularea modelelor cinematice potrivite pentru un robot este foarte importantă pentru analiza comportamentului manipulatoarelor. Spațiul cinematic cartezian este cel mai des folosit pentru modelarea matematică a cinematicii, unde transformare dintre 2 coordonate carteziene se poate descompune intr-o rotație și o translație.

Există numeroase moduri de reprezentare a rotațiilor, cum ar fi unghiurile Euler, vectorul Gibbs, parametrii Cayley-Klein, matricele de rotație Pauli, etc. Dintre toate acestea, transformările omogene, bazate pe matrice reale 4×4 (matrice ortonormale) au fost folosite cel mai des în robotică. Danavit și Hartenberg au arătat că transformarea generală dintre două cuple cinematice necesită patru parametrii. Acești parametrii, cunoscuți sub numele de parametrii Danavit-Hartenberg (DH), au devenit standardul descrierii cinematicii roboților.

Cinematica poate fi împărțită în cinematică directă și cinematică inversă. Problema cinematicii directe este simplă și nu pune probleme în generarea ecuațiilor necesare, de unde rezultă că există în totdeauna o soluție pentru acest tip de cinematică. Cinematica inversă reprezintă o problemă mult mai dificilă decât cea directă. Soluția cinematicii inverse este vastă și, în general, necesită mai mult timp pentru generarea soluțiilor în timp real. Singularitățiile și nonliniaritățiile sunt cele care fac această problemă mai complicată.

Relația dintre cinematica directă și cea indirectă este prezentată în figura de mai jos.

Există 2 tehnici de soluționare principale pentru problema cinematicii inverse, și anume metoda analitică și cea numerică. Pentru prima menționată, variabilele cuplelor sunt rezolvate analitic, în concordanță cu configurația dată. În ceea ce privește metoda numerică, variabilele cuplelor sunt obținute pe baza unor tehnici numerice de calcul.

În metoda analitică, există 2 abordări, și anume, cea geometrică și cea algebrică. Cea geometrică este aplicată structurilor simple de roboți, cum ar fi roboții cu 2 grade de libertate. Pentru manipulatoarele cu mai multe grade de libertate, geometria devine mult mai complicată. În acest caz, abordarea algebrică este mai benefică pentru soluționarea cinematicii inverse.

Există anumite dificultăți în rezolvarea cinematicii inverse, atunci când ecuațiile sunt cuplate și apare problema multiplelor soluții și a singularităților. Soluțiile matematice pentru acest tip de cinematică nu corespund intotdeauna cu soluțiile fizice, iar metodele de rezolvare depind de structura robotului.

Unghiurile Euler

Unghiurile Euler reprezintă 3 unghiuri, introduse de Leonhard Euler, cu ajutorul cărora se poate descrie orientarea unui corp rigid, față de un sisted de coordonate fix. Acestea pot reprezenta, de asemenea, orientarea unui sistem de referință mobil, în fizică.

Orice orientare poate fi atinsă prin compunerea a 3 rotații elementare, de exemplu, rotații față de axele unui sistem de coordonate. Rotațiile pot fi extrinseci, rotații după axele XYZ ale sistemului de coordonate de bază, sau intrinseci, rotații după axele sistemului de coordonate XYZ, care este solidar cu corpul mobil.

Există 12 secvențe posibile de rotații, împărțite în 2 grupe:

unghiuri Euler specifice (z-x-z, x-y-x, y-z-y, z-y-z, x-z-x, y-x-y)

unghiuri Tait-Bryan (x-y-z, y-z-x, z-x-y, x-z-y, z-y-x, y-x-z)

Unghiurile Tait-Bryan sunt denumite și unghiuri Cardan, unghiuri nautice sau roll, pitch și yaw. Câteodata, ambele secvențe sunt denumite unghiuri Euler. În cazul acela, secvența primului grup (unghiurile Euler specifice) se numește unghiuri Euler clasice.

Definire geometrică

Axele sistemului de coorodonate origine sunt notate cu XYZ. Definirea începe cu definirea linii nodurilor, ca fiind intersecția planelor xy și XY (se mai poate defini și ca fiind perpendiculara comună axelor z și Z, apoi scrisă ca fiind vectorul N=z x Z). Folosind această linie a nodurilor, cele 3 unghiuri Euler pot fi definite după cum urmează:

α (sau φ{\displaystyle \varphi }) este unghiul dintre axa x și axa N (convenția x. Se mai poate defini și ca unghiul dintre N și y, astfel numită convenția y)

β (sau θ {\displaystyle \theta }) este unghiul dintre axa z și axa Z

γ (sau ψ) este unghiul dintre axa N și axa X (convenția x)

Definirea după rotații intrinseci

Rotațiile intrinseci sunt rotații elementare care se realizează în jurul axelor unui sistem de coordonate XYZ, legate de un corp în mișcarea de rotație. Astfel, acestea își schimbă orientarea după fiecare rotație. Sistemul XYZ se rotește, în timp ce sistemul xyz este fix. Pornind de la poziția în care axele XYZ coincid cu axele xyz, o succesiune de 3 rotații intrinseci poate fi folosită pentru a atinge orice orientare țintă pentru XYZ. Cele 3 rotații pot fi definite astfel:

x-y-z, sau x0-y0-z0 (inițial)

x’-y’-z’, sau x1-y1-z1 (după prima rotație)

x″-y″-z″, sau x2-y2-z2 (după a doua rotație)

X-Y-Z, sau x3-y3-z3 (final)

Pentru secvența mai sus menționată, linia nodurilor N poate fi definită ca fiind orientarea lui X, după prima rotație. Deci, N poate fi notat, simplu, cu (x’). În plus, a treia rotație fiind în jurul lui Z, aceasta nu schimbă orientarea lui Z, deci coincide cu (z”). Aceasta permite simplificarea definiției unghiurilor Euler, după cum urmează:

α (sau φ{\displaystyle \varphi }) reprezintă o rotație după axa z

β (sau θ {\displaystyle \theta }) reprezintă o rotație după axa x’

γ (sau ψ) reprezintă o rotație după axa z”

Definirea după rotații extrinseci

Rotațiile pot fi extrinseci, rotații după axele XYZ ale sistemului de coordonate xyz. Pornind de la poziția în care axele XYZ coincid cu axele xyz, o succesiune de 3 rotații intrinseci poate fi folosită pentru a atinge orice orientare țintă pentru XYZ. Unghiurile Euler reprezintă amplitudinile acestor rotații. De exemplu, orientarea țintă poate fi atinsă astfel:

Sistemul XYZ se rotește în jurul axei z, cu unghiul α. Axa X este acum la unghiul α, față de axa x

Sistemul XYZ se rotește din nou în jurul lui x, de data aceasta cu unghiul β. Axa Z este acum la unghiul β față de axa z

Sistemul XYZ se rotește a treia oara în jurul axei z, cu unghiul γ

Însumate, aceste trei rotații se întâmplă în jurul axelor z, x și z. Secvanța aceasta este notată frecvent cu z-x-z sau 3-1-3.

Unghiurile Tait-Bryan

A doua grupă de rotații se numește “unghiurile Tait-Bryan”, după Peter Guthire Tait și George H. Bryan. Aceasta este convenția utilizată, în mod normal, pentru aplicații aerospațiale, unde elevația zero reprezintă orientarea orizontală.

Aceste unghiuri pot reprezenta, de exemplu, orientarea unei aeronave, în legătură cu sistemul de referință al pământului.

Definirea

Definirea și notarea unghiurilor Tail-Bryan sunt similare celor descrise mai sus pentru unghiurile Euler. Singura diferență este că aceste unghiuri reprezintă rotații în jurul a 3 axe distincte (x-y-z sau x-y’-z”), în timp ce unghiurile Euler folosesc aceeași axă pentru prima și cea de a treia rotație (x-z-x sau z – x’- z”).

Acest lucru implică o definire diferită a liniei nodurilor, în construcția geometrică. Aceasta este definită, aici, ca fiind intersecția a 2 plane care nu sunt omoloage (perpendiculare atunci când unghiurile Euler sunt zero, de exemplu xy și YZ)

Convenții

Cele 3 rotații pot apărea în jurul axelor sistemului de coordonate original, cel care rămâne fix (rotații extrinseci) sau în jurul axelor sistemului de coordonate rotativ (rotații intrinseci).

Există 6 posibilități pentru alegerea axelor de rotație pentru unghiurile Tait-Bryan. Acestea sunt:

x-y’-z″ (rotații intrinseci) sau x-y-z (rotații extrinseci)

y-z’-x″ (rotații intrinseci) sau y-z-x (rotații extrinseci)

z-x’-y″ (rotații intrinseci) sau z-x-y (rotații extrinseci)

x-z’-y″ (rotații intrinseci) sau x-z-y (rotații extrinseci)

z-y’-x″ (rotații intrinseci) sau z-y-x (rotații extrinseci): rotațiile intrinseci sunt de asemenea cunsocute sub denumirea de yaw, pitch și roll

y-x’-z″ (rotații intrinseci) sau y-x-z (rotații extrinseci)

[https://en.wikipedia.org/wiki/Euler_angles]

Cinematica directă

Cinematica directă a pozițiilor

Cinematica directă a vitezelor

Cinematica inversă

Cinematica inversă a pozițiilor

Cinematica inversă a vitezelor

Simulări

Partea experimentală

Concluzii generale