Modelarea Si Simularea Robotului Industrial Tip Rrr Rrr 2(r Rrt)

Modelarea și simularea robotului industrial tip RRR-RRR-2 R-RRT

Cuprins

1.Introducere

1.1. Generalități

1.2. Definiții și noțiuni de bază

1.2.1. Definiții ale robotului industrial

1.2.2 Arhitectura roboților

1.2.3 Structura robotului industrial

1.2.4 Sistemul mecanic al robotului industrial

1.3. Modelarea și simularea pe calculator

1.3.1. Noțiuni de bază

1.3.2. Sistemul de comanda al robotului

1.3.3 Configurații și caracteristici ale roboților industriali roboților industriali

2.Stadiul actual al roboților seriali tip 3R-3R

b#%l!^+a?

1.Introducere

1.1. Generalități

Beneficiile introducerii robotilor în industrie includ managementul controlului și al b#%l!^+a?productivitatii și cresterea evidenta a calitatii produselor. Robotii pot lucra zi și noapte fara a obosi sau a-si reduce performanta. Consecvent realizeaza reduceri substantiale ale pretului de cost în primul rand prin reducerea consumurilor de materii prime și al prelucrarii automate a acestora. De asemenea utilizarea robotilor aduce avantaje pe piata concurentiala. Prin dezvoltarea rapida a industriei și a tehnicii de calcul, putem observa evolutia robotilor industriali catre generatiile inteligente ce le ofera caracteristica de a "intelege" mediul în care lucreaza.
În 1956 a luat fiinta prima companie ce realiza roboti industriali, iar în 1961 Compania de automobile "Genral Motors" "angaja" primul robot industrial.

Este adevarat ca robotii industriali prin calitatile lor pot cauza reduceri masive de personal acolo unde sunt implementati, dar creeaza și meserii alternative: tehnicieni în industria roborizarii; ingineri; vanzatori; programatori; supervizori etc.
Structura generala a robotilor industriali depinde foarte mult de utilitatea și scopul pentru care sunt produsi. Functiile de baza sunt reprezentate de:
-subsistemul cinematic;
-subsistemul de actionare;
-subsistemul de comanda și programare;
-subsistemul senzorial.
Subsistemul cinematic cuprinde structura capabila să execute miscarile pentru a actiona asupra mediului inconjurator. Astfel în functie de mediul în care este folosit, robotul poate fi dotat cu:
roti;
senile;
picioare mecanice;
diversi suporti
benzi transportoare.

Organul de executie al robotului este alcatuit dintr-un lant cinematic inchis sau deschis oferind diverse grade de libertate prin intermediul carora dispozitivul de lucru poate actiona:
mana mecanica;
dispozitiv de manevrare;
dispozitiv de apucare.
Aceste dispozitive finale ce interactioneaza direct cu prelucrarea finala a obiectelor supuse unui ciclu de productie, pot fi inlocuite cu dispozitive specializate pentru anumite operatii tehnologice: vopsire, sudare, testare etc. 

Forma și mecanismele de miscare a robotilor industriali depind de sistemul de coordonate în care se realizeaza miscarea diverselor segmente. Daca în situatiile unor coordonate cilindrice și sferice, robotii au grade relativ reduse de miscare, în coordonatele polare prezinta un coeficient ridicat de antropomorfism. Ansamblu alcatuit din "brat", "antebrat" legate prin articulatii "cot" se poate deplasa atat în plan orizontal cat și vertical. In prezent s-au impus solutii de incheieturi cu trei axe de rotatie dotate cu servo-comenzi ce permit o pozitionara usoara. 
In ceea ce priveste dispozitivele de apucare, pe langa sistemele clasice de apucare cu "degete" robotii industriali pot fi dotati și cu alte modalitati de apucare: vacumatic, magnetic etc.

Dispozitivele de prehensiune trebuie să corespunda dorintei utilizatorului, fiind o conditie determinanta pentru succesul unei aplicatii cu roboti industriali.
O alta caracteristica importanta este reprezentata de subsistemul senzorial al robotilor în stransa legatura cu subsistemul de comanda și programare. Daca în anii '80 erau folosite benzile de hartie perforate pentru introducerea software-ului, în zilele noastre sunt folosite cipuri evoluate ce ofera în anumite situatii putere de "decizie". 
Astfel, în septembrie '94 notiunea de robot industrial cunoaste o alternativa în sistemul de actionare: actionarea prin intermediul retelei World Wide Web. Astfel prin intermediul unui computer conectat la Internet se realiza posibilitatea de a accesa și controla roborul. Ecranul de control oferea utilizatorului suficiente informatii pentru a decide miscarea roborului intr-un spatiu cartesian catre urmatoarea destinatie.

Cresterea exploziva a numarului de roboti a fost cauzata de cresterea economica rapida în tarile care au facut investitii în acest domeniu. Cresterea productivitatii muncii a realizat modificari de preturi importante pe pietele respective și daca la inceput s-a mers pe o perioada de 12-16 ani pentru amortizarile investitiilor, s-a constatat ca o parte insemnata din aceste investitii au fost amortizate uneori mult inainte de termen. Un alt amanunt important rezulta din capabilitatea robotilor industriali de a prelua din ce în ce mai multe operatii și aplicatii.

O componenta importanta în robotizare este cererea crescuta de calitate în ceea ce priveste industria de componente și subansamble care produce "materii prime" ce în alte conditii nu ar fi posibila fara roboti. b#%l!^+a?

1.2. Definiții și noțiuni de bază

1.2.1. Definiții ale robotului industrial

Robotul industrial este un manipulator automat, cu mișcări programabile, multifuncțional, având câteva grade de mobolitate (libertate) și capabil să efectueze operații de manipulare a materalelor, pieselor, instrumentelor sau dispozitivelor tehnologice speciale, prin programearea variabilă a mișcărilor, pentru realizarea unei varietăți de funcții.

Principalele caracteristici ale roboților industriali :

-sunt realizati pentru a executa în principal operații de manipulare, deplasare și transportare care necesită viteză și exactitate dar pentru forțe limitate;

-sunt dotați cu mai multe grade de libertate (între 2 și 6), astfel încât să poată executa operații complexe, fiecare mișcare fiind controlată de unitatea de conducere;

sunt autonomi, funcționând fără intervenția sistematică a operatorului uman;

-sunt dotați cu o memorie reprogramabilă capabilă să conducă o aparatură necesară pentru executarea unor operații care pot fi schimbate prin modificarea programului inițial;

-sunt dotați cu o capacitate logică în general foarte redusă cu ajutorul căreia pot executa încercări și pot alege între două altenative, precum și a schimba semnale de aprobare cu alte aparaturi.

Caracteristicile tehnice ale roboților industriali includ: dimensiuni, valorile deplasărilor realizabile, precizia, repetabilitatea, numărul de grade de libertate, tipul de acționare, greutatea robotului, volumul spațiutui de lucru, capacitatea sistemului de comandă și control, viteza, sarcina transportabilă, condițiile de lucru, posibilitatea de a dispune de mai multe brațe de lucru, etc.

  Lucrarea de fata  analizează cinematica mecanismelor din compunerea roboților,  bazele teoretice ale dinamicii roboților industriali și arhitectura unui model de robot 3R în vederea optimizării și corectării performanțelor la unele sisteme robotizate.

Există numeroase definiții ale robotului, el reprezentând un automat universal, destinatefectuării unor funcții motoare sau intelectuale ale omului.

Printre diferitele clase de roboțiuna dintre cele mai importante o formează roboții manipulatori, între care sunt roboțiiindustriali.În realizarea sistemului de conducere a roboților industriali și a celulelor de fabricație flexibilãse propune aplicarea unor tehnici ale inteligenței artificiale pentru realizarea nivelelor ierarhice superioare și a unor metode avansate, de control predictiv, în materializarea niveluluiierahic inferior.

Un robot industrial este un echipament care nu funcționeazã în mod izolat, ci lucreazãîmpreunã cu alți roboți și/sau mașini unelte, benzi transportoare, ajungându-se astfel lanoțiunea de celulã flexibilã de fabricație.

Dacã acest termen este acceptat și folosit adesea împreunã cu acela de sistem de tip CIM (Computer Integrated Manufacturing), conducerea șioptimizarea funcționãrii unei celule de fabricație este încã o problemã deschisã. Pentru obținerea flexibilitãții în utilizare, împreunã cu autonomia și siguranța în funcționare, se impune o abordare unitarã a unei celule de fabricație robotizatã, care sã îmbine elementele deautomaticã și cele de inteligențã artificialã (IA).

1.2.2. Arhitectura roboților

Arhitectura internă a unui robot conține cinci sisteme importante, fiecare dintre acestea acestea aparținâd unui domeniu al tehnicii clasice:

– sistemul mecanic de susținere și al articulațiilor (cuplelor de rotație și de translație);

– sistemul de acționare (hidraulic pneumatic electric sau mixt);

– sistemul de transmisie al mișcării;

– sistemul senzorial (intern și extern);

– sistemul decizional.

Figura 1.1

În figura 1.1 este prezentat schema robotului în structura RTT, în care:

1 – batiu; b#%l!^+a?

2 și 2 – coloane în platoul de rigidizare;

3 – corp central;

4 și 4 – arbori pentru sistemul de orientare;

9 – piuliță lăgăruită în corpul 3 care este antrenată de cureaua 10 prin roata de curea 11 solidară cu motoreductorul M1R1. Deplasarea pe orizontală a platoului 5 fată de 3 se realizează cu ghidajele cilindrice prin intermediul arborilor 4 și 4 realizându-se și utilizarea suplimentară prin șurubul nerotitor 13.

Arborii 4 și 4 sunt acționați de mororeductoarele M3R3 și M4R4 prin angrenaje cu roți dințate conice.

Figura 1.2

Mecanismele generatoare de traiectorie cu gradul de mobilitate M=3 ca în cazul robotului RTT cu spații de lucru tridimensionale. Spațiul de lucru al robotului în structura RTT este cilindric și are forma din figura 1.2.

Mecanismele de orientare pot avea unul douã sau trei grade de libertate. Existã trei tipuri de mecanisme de orientare :

-cu mișcãri independente;

-cu mișcãri dependente;

-aducție – abducție ;

-pronație – supinație. Fig. 1.5. Mișcãrile mecanismului de orientare

Sistemul senzorial -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 cre sesizarea pericolelor (ciocniri, cre șterea temperaturii etc ) terea temperaturii, etc.).

Funcțiile sistemului senzorial sunt:

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

– modelează o serie de funcții senzoriale umane: tactilă, vizuală;

– de tip releu pentru evitarea coliziunilor și securitate.

Senzorii externi sunt senzori de efort (în general au la bază mărci tensometrice plasate pe concentratoare de efort), senzori de alunecare sau senzorii tactili.

O categorie aparte de astfel de senzori o reprezintă pielea artificială ce are la bază propriet proprietățile reflexiei reflexiei și refracției luminii Este vorba de senzorul luminii. Este vorba de senzorul cu fibră optică (figura 1.6 a) și senzorii cu ghid optic tangențial (figura 1.6 b), cei mai utilizați dintre variantele constructive ce folosesc fascicole luminoase.

Figura 1.6 Variante constructive de piele artificială a. cu fibră optică, b. cu ghid optic tangențial

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 stabilirea traiectoriilor de deplasare.

Diagrama “Om – Robot” – enumerarea mărimilor comparate.

I. Caracteristici fizice

1.Manipularea

A. lul 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 stabilirea traiectoriilor de deplasare.

Diagrama “Om – Robot” – enumerarea mărimilor comparate.

I. Caracteristici fizice

1.Manipularea

A. Corpul.

a. Tipuri b#%l!^+a?

b. Gama maximă a mișcarilor posibile ( GMMP )

B. Brațul

a. Tipul

b. Numărul de brațe

c. GMMP.

C. Incheietura

a. Tipul

b. GMMP

D. Endefectorul

a. Tipul

b. GMMP

2. Dimensiunile corpului.

A. Corpul principal

B. Aria pardoselii necesare.

3. Forța și puterea

A. Greutatea încãrcãturii brațului

B. Puterea necesarã.

4. Armonie.

5. Suprasolicitare/solicitare sub posibilități. Performanțe.

6. Restricții ambientale.

A. Temperatura ambientalã.

B. Umiditatea

C.Fluctuații.

II. Caracteristici mentale și comunicative.

1. Capacitatea de calcul

2. Memoria

3. Inteligența.

4. Puterea de a raționa.

5. Perceperea semnalelor.

6. Coordonarea creier-mușchi.

7. Necesitați sociale și psihologice.

8. Pregătirea

9. Sensibilitatea.

10. Comunicãri între operatori.

11. Viteza de reacție.

12. Autodiagnosticarea.

13. Specificitatea individualã.

III. Considerații energetice.

1. Puterea cerută.

2. Accesorii

3. Oboseală.

4. Timpul de muncă.

5. Durata estimată de viață.

6. Eficienta energetică.

După cum se observă diagrama conține trei tipuri principale de caracteristici de lucru :

– caracteristici fizice.

– caracteristici mentale și comunicative.

– caracteristici energetice.

1.2.3 Structura robotului industrial

Structura sistemului mecanic al unui robot este :

Situarea, adică poziția – orientarea, unui corp în spațiul tridimensional este definită cu ajutorul poziției punctului caracteristic, și orientărilor dreptei caracteristice, respectiv a dreptei auxiliare. b#%l!^+a?

Punctul caracteristic și dreapta caracteristică / auxiliară la un obiect cilindric se reprezintă astfel :

Se înțelege prin:

"Punct caracteristic", un punct al obiectului, folosit pentru definirea poziției acestuia.

"Dreapta caracteristică" este o dreaptă care trece prin punctul caracteristic.

"Dreapta auxiliară" o dreaptă perpendiculară în punctul caracteristic pe dreapta caracteristică.

Cu ajutorul dreptelor caracteristice și auxiliare se definește orientarea obiectului, de care aparțin ambele drepte.

În modelul matematic al sistemului mecanic al robotului, punctul caracteristic este originea, iar dreptele caracteristică și auxiliară reprezintă axe ale unui sistem de referință cartezian drept legat de obiect.

În variantele cu topologie serială, un mecanism component al acestuia, numit mecanism generator de traiectorie (mecanism de poziționare), realizează modificarea poziției punctului caracteristic și altul, numit mecanism de orientare, realizează orientarea dreptelor caracteristic și auxiliar.

Se poate defini:

mecanismul generator de traiectorie ca fiind "brațul" al robotului;

mecanismul de orientare ca fiind "articulație carpiană", sau "mecanismul carpian" ("wrist") al robotului.

Efectorul final are mai multe variante constructive:

Efectorul final al robotului care prelucrează obiecte este o sculă.

Efectorul final al robotului care mișcă obiecte este manipulatorul.

Energia necesară pentru prelucrare este comunicată sculei prin intermediul robotului sau a unei surse suplimentare de energie, în acest caz efectorul final este un cap de forță cu sculă. Capul de forță conține un motor și eventual o transmisie mecanică.

Platforma mobilă este o parte componentă a sistemului mecanic care asigură modificarea situării întregului ansamblu în mediu.

Platforma mobilă definește tipul robotului:

Robot staționar atunci când nu este înzestrat cu platformă mobilă;

Robot mobil când este înzestrat cu platformă mobilă, în acest caz dispozitivul de ghidare modifică situarea obiectului în raport cu platforma mobilă.

La roboții industriali cu structurile RRR, RRT și RTT prima mișcare este o rotație față de batiu. Natura antrenării (electrică, hidraulică sau pneumatică), precum și tipul motorului (rotativ sau liniar), conduc la rezolvări specifice. Antrenarea electrică se poate face cu una din cele patru variante reprezentate schematic în figura 1.6.

Figura 1.6

La variantele a1 și a2 raportul de transmitere al reductorului iR este mai mic decât în cazul variantei b, deoarece intervine angrenajul cu coroană dințată sau transmisia prin curea dințată.

În varianta a1 se pune problema preluării jocului de flanc, care ridică unele dificultăți constructive. Din acest punct de vedere varianta a2, prin posibilitatea pretensionării sau întinderii curelei dințate, este mai avantajoasă. Avantajul transmisiei prin curea dințată se menține și sub aspectul nivelului de zgomot din timpul funcționării.

Pentru robotul cu structura RTT se utilizează varianta b și se utilizează de preferință reductoare armonice. Pe baza acumulării datelor experimentale pot fi amintite urmatoarele particularități care oferă unele avantaje față de alte tipuri de transmisie:

Rapoarte mari de transmitere, până, la 300 pe o treapta;

Număr mare de dinti concomitent în angrenare pănă la 40 % din numărul de dinți ai roții elastice sau rigide; b#%l!^+a?

Precizie cinematică ridicată. Sunt cunoscute transmisii armonice la care eroarea cinematică nu depășește un minut la danturi prelucrate în clasa de precizie șapte sau opt;

Răspuns dinamic rapid la modificarea parametrilor de comandă, în special la transmisiile cu deformator electromagnetic;

Randament comparabil cu cel al transmisiilor planetare sau al reductoarelor cu mai multe trepte;

Construcție simetrică și ca urmare încări mici pe arbori și lagăre;

Posibilitatea realizării unor construcții etanșe;

Nivel de zgornot mai redus decât cel al transmisiilor dințate obișnuite;

Domeniu larg de utilizare în ce privește încărcările și turațiile. Astfel sunt cunoscute transmisii cinematice cu încărcări minime și transmisii de putere cu momente pe arborele condus mai mari de 105 Nm. Practic valoarea momentelor este limitată de posibilitățile tehnologice de realizare a elementelor cu gabarite mari. La transmisiile cinematice, viteza unghiulară poate atinge până la 200 rad/s, iar la transmisiile de putere până la 50 rad/s.

Domeniu larg de utilizare. Similar transmisiilor planetare, transmisiile armonice pot fi utilizate atât ca reductor cât și ca multiplicator, dar și ca mecanism diferențial sau variator de viteză.

Dezavantajele transmisiilor armonice sunt legate de: limitarea domeniului de utilizare datorită valorii ridicate a raportului minim de transmitere (aproximativ 80 la roți din oțel), complexitatea tehnologiei de realizare a roților elastice și a deformatoarelor, inexistența construcțiilor cu axe încrucișate și care se intersectează, rigiditate relativ mică în momentul inițial al aplicării sarcinii.

1.2.4 Sistemul mecanic al robotului industrial

Structura unui robot este, de fapt, un sistem compus din mai multe subsisteme. Sistem este un ansamblu de părți componente, elemente, și legăturile dintre acestea. Elementele care compun acest sistem se numesc subsisteme. La rândul lor subsistemele pot avea și ele subsisteme, din acest motiv există o ierarhizare și anume sistemul principal se numește sistem de rangul 1, subsistemele se numesc sisteme de rangul 2, etc.

Modul cum se compune un sistem din subsisteme și legăturile dintre aceste subsisteme definesc structura unui sistem. Aceasta compunere a sistemelor din subsisteme se evidențiază prin scheme bloc, iar legăturile dintre subsisteme, prin matrici de cuplare (care definesc legăturile dintre "intrările" și "ieșirile") și matrici de structură (care ne arată care subsisteme sunt în legătură).

Robotul este un sistem de rangul 1, și se aseamănă, constructiv, cu sistemul unui om, la fel și subsistemele robotului.

Schema bloc al structuri unui robot este:

Sistemul unui robot comunică cu mediul și este compus din următoarele:

Sistemul mecanic al robotului care are rolul scheletului uman, astfel definește natura și amplitudinea mișcărilor ce se pot realiza.

Sistemul de acționare realizează mișcarea relativă a elementelor mecanismelor din sistemul mecanic, și are rolul sistemului mușchiular al omului.

Sistemul de comandă emite comenzi către sistemul de acționare și prelucrează informații preluate de la sistemul mecanic, de acționare și de la mediu, are rolul sistemului nervos uman.

Traductorii și aparatele de măsură preia informații despre starea internă a robotului, adică deplasări, viteze, accelerații relative, debite, presiuni, temperaturi.

Senzorii preia informații despre starea „externă" a robotului, caracterizată prin parametrii mediului (temperatură, presiune, compoziție, etc.) și acțiunea acestuia asupra robotului (forțe, cupluri, etc.). b#%l!^+a?

Traductorii și senzori au rolul organelor de simț.

Platformei mobile are rolul de a realiza deplasarea roboților mobili și face parte din componența sistemului mecanic, cu rolul aparatului locomotor al omului.

Sistemul de conducere este un sistem de rang superior al sistemului mecanic și este compus din sistemul de comandă și cel de acționare.

Roboții acționați hidraulic conțin un grup hidraulic pentru prepararea și realizarea circulației fluidului purtător de energie (ulei). Acest grup joacă rolul aparatului digestiv și a celui respirator / circulator al omului.

Se înțelege prin "mediu" al robotului spațiul în care acesta evoluează, cu obiectele conținute și fenomenele care au loc în acest spațiu. Totalitatea obiectelor cu care robotul interacționează constituie "periferia" acestuia.

Legăturile dintre componentele robotului și a componentelor care realizează legăturile cu mediu sunt :

directe

inverse ("feed back").

Legături directe avem la sistemul de comandă atunci când transmite comenzi la sistemul de acționare, iar acesta acționează asupra cuplelor cinematice conducătoare, axele, sistemului mecanic, care la rândul său, acționează asupra mediului cu efectorul final.

Legături inverse sunt informațiile furnizate sistemului de comandă de către traductoare, senzori și aparate de măsură.

Se mai consideră legături și fluxul de energie dat de mediu sistemului de acționare al robotului, și fluxul de energie disipat de la robot la mediu.

În cazul general un robot industrial trebuie să realizeze:

acțiuni asupra mediului înconjurător, cu efectori finali;

percepție, pentru a culege informații din mediul de lucru, cu senzori și traductori;

comunicare, pentru schimb de informații;

decizie, în scopul realizării unor sarcini.

Pentru realizarea acestor funcții, structura unui robot este alcătuită din:

sistemul mecanic;

sistemul de acționare;

sistemul de programare și comandă;

sistemul senzorial.

Sistemul mecanic este constituit din mai multe elemente legate între ele prin cuple cinematice.

Sistemul de acționare servește la transformarea unei anumite energii în energie mecanică și transmiterea ei la cuplele cinematice conducătoare.

Sistemul de comandă și programare este un ansamblu de echipamente și de programe care realizează mișcarea robotului.

Sistemul senzorial reprezintă un ansamblu de elemente specializate transpunerea proprietăților ale diferitelor obiecte în informații.

Sistemul mecanic al robotului are rolul să asigure realizarea mișcărilor acestuia și transmiterea energiei mecanice necesare interacțiunii cu mediul. Adică are sarcina de a deplasa un obiect. Partea din sistemul mecanic care realizează această deplasare se numește dispozitiv de ghidare sau manipulator.

Se înțelege prin manipulare modificarea situării în spațiu a unui obiect. Utilizarea mâinii de către om a determinat formarea cuvântului de manipulare. Manipularea obiectului se realizează prin modificarea situării bazei efectorului final, cu care obiectul este solidarizat. În acest scop, baza efectorului final este solidarizată cu un element al dispozitivului de ghidare.

Dispozitivul de ghidare are rolul de a da efectorului final mișcările și energia mecanică necesară mișcări în conformitate cu acțiunea necesitată asupra mediului.

Subsistemul din cadrul sistemului mecanic dedicat acestei interacțiuni este efectorul final.

Efectorul final al robotului care manipulează obiecte se numește dispozitiv de prehensiune. Din punct de vedere al teoriei mecanismelor, obiectul și partea de bază a dispozitivului de prehensiune formează o cuplă cinematică de clasa a VI-a, închisă deobicei prin forță.

Dispozitivele de ghidare pot fi cu:

topologie serială,

paralelă

mixtă.

1.3. Modelarea și simularea pe calculator

1.3.1. Noțiuni de bază

Pentru modelarea sistemului robotului industrial se pornește de la ecuațiile dinamice Newton – Euler.

Principalele prezumții care vor fi acceptate pentru modelul fizic al robotului pot fi reduse la următoarele trei:

– legăturile sunt modelate prin corpuri rigide și efectele elasticității sunt neglijate; b#%l!^+a?

– lanțul cinematic al robotului nu este nici ramificat, nici închis;

– gradele de libertate ale robotului nu sunt cuplate cinematic.

Se face observația că în ceea ce urmează doar formulele pentru construcția modelului dinamic se vor demonstra, datorită vastității calculelor.

Construcția modelului se constituie din următoarele etape:

– determinarea situării elementelor brațului robotului în raport cu sistemul de coordonate de referință;

– etapa cinematică;

– etapa dinamică.

Elaborarea unor noi metode de proiectare a sistemelor de acționare a roboților presupune:

– elaborarea unei metode rapide de alegere optimală a motoarelor din componența sistemelor de acționare ale roboților industriali;

– întocmirea unei ordinograme originale privind calculul dinamic aproximativ pentru analiza funcționării unui robot;

– stabilirea metodologiei privind analiza dinamică a unui robot;

– stabilirea criteriilor de conducere adoptivă a roboților industriali;

– modelarea matematică și simularea funcționării unei axe de translație cu acționare electric cu motor de current continu condusă prin calculator;

– efectuarea simulării axei de translație și validarea experimental a modelui matematic întocmit;

– elaborarea unei strategii de conducere „în forță“ a axei de translație cu acționare electrică cu supravegherea forței perturbatoare;

– conceperea și efectuarea experimentărilor privind răspunsul dinamic al axei de translație electrică și compararea rezultatelor experimentale cu cele obținute prin simulare utilizând regulatoare fuzzy; (se face precizarea că metodologiile stabilite prin aceste contribuții pot fi utilizate și în cazul altor tipuri de acționări (hidraulice, pneumatic, mixte) cu particularizarea parametrilor specifici, ceea ce mărește gama aplicațiilor.)

În domeniul aplicațiilor practice se pune accentul pe:

– proiectarea și realizarea unui modul de translație (axă de translație) cu acționare electrică, condusă prin calculator;

– conceperea și realizarea unui sistem de conducere adaptivă în forță;

– întocmirea unor programe în limbaje specializate și rularea lor pentru obținerea tabelară și grafică a parametrilor motoarelor de acționare;

– conceperea și realizarea instalației de reglare a vitezei motorului electric;

– întocmirea programului de achiziție a datelor și comanda unei axe de translație (modul de translație) cu acționare electrică utilizând calculatorul numeric;

In domeniul cercetării experimentale înseamnă:

– conceperea și realizarea modulului de translație, a sistemului de acționare și al sistemului perturbator;

– modelarea matematică și simularea funcționării axei (modulului) de translație cu acționare electrică utilizând un motor de curent continu;

– efectuarea simulării funcționării axei și validarea experimentală a modelului matematic stabilit;

– elaborarea unei strategii de conducere „în forță“și forță a axei de translație cu acționare electrică, cu supraregrarea forței perturbatoare, utilizând regulatoare fuzzy.

– conceperea și efectuarea experimentărilor privind răspunsul dinamic al axei de translație și compararea rezultatelor cu cele obținute prin simulare;

– conceperea sistemului de conducere adaptivă a axei de translație; – rularea programului întocmit în vederea conducerii adaptive în forță a modulului, utilizând regulatoare fuzzy

– optimizarea funcțională a sistemului conceput și realizat.

Limbajele de programare pentru roboți se pot clasifica după nivelul lor de abstractizare. Metodele de programare offline sunt divizate în patru nivele ierarhice, conform cu figura 1.7

Figura 1.7 Ierarhia limbajelor de programare după nivelul de abstractizare.

Limbajele de la nivelele task layer și object layer sunt denumite limbaje implicite. b#%l!^+a?Ele au cel mai mare nivel de abstractizare. Limbajele explicite sunt cele care operează la nivelele robot layer și joint layer. Nivelul comenzilor pentru articulații are cel mai mic nivel de abstractizare.

Limbaje de programare explicite: Următoarele detalii subliniază câteva aspecte principale ale limbajelor de programare explicite.

Acceptă descrierea obiectelor în spațiul de lucru

Starea de pornire (poziție și orientare)

Acceptă descrierea părților principale (gripper și puncte de apucare)

Este uzual să se descrie poziția și orientarea obiectului în sistemul de coordonate al robotului (cu originea la baza robotului) și relativ sistemul de coordonate al obiectului, ca o funcție de transformare, poziția și orientarea părților principale (gripper și puncte de apucare).

Acceptă intrări de date numerice pentru definirea unor poziții și orientări. Aceste date pot proveni din:

Metode teach-in

Măsurare

Modele CAD

Acceptă comenzi pentru mișcări brute (ample)

Cu evitarea coliziunilor în spațiul de lucru prin introducerea de către utilizator a unor puncte “de trecere”

Cu evitarea singularităților și cu impunerea configurațiilor de poziție de către programator.

Acceptă comenzi pentru mișcări fine

Mișcările fine produc deplasări mici și orientări fine ale uneltei, în general pentru operații de asamblare sau prelucrare suprafețe. În general, pentru comanda acestor mișcări se folosește sistemul de coordonate TCP (al uneltei).

Mișcări provocate de senzori (ex. senzori de proximitate)

Strategii de asamblare prin programarea mai multor comenzi de mișcare

Luarea în considerație prin funcții de program a forțelor, momentelor și a limitelor de flexibilitate

Componente de limbaj pentru programare paralelă și/sau în timp real

Controlul uneltelor și al perifericelor

Cooperare cu alți roboți

Așteptare pentru și/sau reacție la evenimente externe .

1.3.2 Sistemul de comanda al robotului

Sistemul de comanda trebuie să fie apt să gestioneze miscarile pe fiecare grad de libertate în parte și să coreleze miscarile intre ele, în sensul generarii traiectoriei descrisa matematic.

Astfel la proictarea robotului se urmareste simplitatea comenzilor de miscare, a algoritmilor de comanda, a celor de interpolare, precum și simplitatea structuralfunctionala a echipamentului de comanda-programare și celor de interfatare.

Functie de numarul nivelurilor ierarhice, de complexitatea sistemelor de comanda, robotii apartin unei anumite generatii de roboti.
Pentru realizarea sarcinilor sale (actiuni asupra mediului, perceptie, comunicare, decizie), structura unui robot inteligent este alcatuita din mai multe subsisteme.

Robotul modern este un sistem complex, programabil cu ajutorul calculatorului, echipat cu microprocesoare, senzori, sisteme de actionare, structuri mecanice, care are capacitate de actiune, de percepere, de decizie și de comunicare.
Manipulatoarele și robotii prezinta particularitati deosebite din punct de vedere al structurii mecanice și al sistemului de comanda. Astfel, un robot dispune de o ierarhie de niveluri de comanda.

Robotii inteligenti poseda elemente de inteligenta artificiala. Acestia pot sa-si defineasca singuri sarcinile pentru rezolvarea unor probleme particulare, considerand informatia despre mediul inconjurator (organizata în modelul mediului) și pot sa-si modifice actiunile în functie de informatiile furnizate de sistemul de perceptie.

Robotii inteligenti pot fi complet autonomi, gradul lor de inteligenta fiind functie de scopul pentru care sunt construiti.

Robotul inteligent se poate defini ca un sistem capabil să execute sarcini care necesita și anumite calitati umane: adaptarea, invatarea, capacitatea de reprezentare a b#%l!^+a?mediului inconjurator, predictia și planificarea, etc. 

Ansamblul format din sistemul de comanda, sistemul de actionare și sistemul de perceptie constituie sistemul de conducere. Sistemul mecanic reprezinta sistemul condus. Structura robotului poate fi deci impartita în structura mecanica și structura electronica. Robotul interactioneaza cu mediul inconjurator prin intermediul structurii mecanice, aceasta asigurandu-i deplasarea, pozitionarea și orientarea efectorului final.
Sistemul de comanda al robotului trebuie să asigure miscarea structurii mecanice în doua moduri: liber (traiectorii libere) sau în contact cu alte obiecte (traiectorii semilibere).

In primul caz se evita, pe baza modelului mediului, coliziunea cu obiectele din spatiul de lucru și se controleaza situarea efectorului și parametrii cinematici ai miscarii acestuia pe tot parcursul evolutiei sale.

În al doilea caz, trebuie studiata suplimentar interactiunea cu mediul și trebuie controlata forta de interactiune.

Sistemul de comanda al unui robot determina flexibilitatea și eficienta acestuia, în limitele prestabilite prin proiectarea structurii mecanice.

Sistemul de comanda este reprezentat de unul sau mai multe calculatoare interconectate, cu dotari hardware și software specifice aplicatiilor de robotica și are rolul de a conduce intregul robot.

Sistemul de comanda efectueaza toate calculele necesare și asigura interfata cu sistemul senzorial, elementele efectoare ale robotului, respectiv echipamentele periferice asociate.

Sistemul de comanda primeste toate informatiile și comenzile de la operatorul uman, inregistreaza informatiile de la sistemul de perceptie și comanda sistemul de actionare pentru executarea sarcinii planificate, deci furnizeaza o secventa logica pe care robotul trebuie s-o respecte.

Sistemul de comanda furnizeaza situarile teoretice necesare fiecarei etape de lucru și inregistreaza continuu situarea curenta în timpul miscarii. În timpul operarii robotului, sistemul de comanda calculeaza marimile teoretice, evalueaza diferentele intre acestea și marimile masurate, inregistreaza (memoreaza) datele și genereaza miscarea robotului. Programarea controlerelor poate fi realizata on-line sau off-line, utilizand floppy discuri sau modem-uri pentru transferul electronic al datelor (programelor).
Subsistemul de decizie-comunicare ii permite robotului sa-si execute sarcinile în mod autonom, printr-o succesiune de actiuni elementare, adaptate la starea mediului și care, partial sau total, nu au fost explicitate în instructiunile date initial de operatorul uman. Comunicarea eficienta om-robot este una din problemele fundamentale ale automatizarii flexibile programabile.

Astfel, au aparut și s-au dezvoltat limbaje specializate de programare a robotilor, structurate pe mai multe niveluri ierarhice.

Sistemul de perceptie se compune din senzori și traductoare. Pentru o functionare autonoma la parametrii proiectati, sistemul de comanda inregistreaza permanent informatii de la sistemul de actionare, printr-un sistem de senzori interni.

În general, senzorii interni sunt senzori de pozitie sau de viteza, care pot furniza informatii discontinue sau continue, corespunzatoare unor comenzi de tip secvential sau de tip continuu.

Informatiile despre mediul în care evolueaza robotul sunt furnizate de un sistem de senzori externi. Rolul acestora este de a trata informatiile și de a recunoaste mediul, respectiv de a furniza la randul lor informatii pertinente care pot fi interpretate corect de catre sistemul de comanda.

Cel mai utilizat sistem de senzori externi este sistemul de vedere artificiala. Sistemul de vedere artificiala trebuie să tina seama de dificultatea transformarii unei imagini a unui obiect din spatiul de lucru al robotului, în informatie de miscare a cuplelor cinematice conducatoare.

Operatorul uman nu da decat un ordin initial, realizarea sarcinii și controlul executiei realizandu-se automat.

Sistemul de actionare este cel care produce miscarea elementelor sistemului mecanic. Sistemul de actionare presupune mai multe sisteme de conducere locala. Fiecare cupla cinematica a robotului este prevazuta cu cate un motor de actionare. Sistemul de actionare converteste puterea în energie cinetica necesara miscarii robotului. Motoarele de actionare pot fi: electrice, hidraulice sau pneumatice:

sistem de actionare electric: este utilizat în aproximativ 20% din robotii de azi. Un sistem electric consta în servomotoare, motoare pas cu pas, motoare cu impulsuri. Aceste motoare convertesc energia electrica în energie mecanica. Controlul miscarii este superior celorlalte tipuri de actionari, iar în caz de urgenta, robotul poate fi oprit mai repede și mai precis decat în celelalte doua tipuri de actionari.

sistem de actionare pneumatic: este utilizat în aproximativ 30% din robotii de azi. Un sistem pneumatic utilizeaza aerul comprimat. Uzual, în spatiile industriale exista linii de aer comprimat în zonele de lucru, deci actionarea pneumatica a robotilor nu ridica probleme suplimentare. Acest tip de sistem de actionare este dificil din punctul de vedere al sistemului de comanda (comanda în viteza sau în pozitie). b#%l!^+a?

sistem de actionare hidraulic: este cel mai utilizat, deoarece cilindrii hidraulici și motoarele sunt compacte și permit forte mari și precizie ridicata. Sistemul hidraulic converteste fortele datorate presiunii inalte a fluidului în miscare liniara sau de rotatie. Acest tip de sistem de actionare este bun din punctul de vedere al sistemului de comanda (comanda în acceleratie, miscari repetate).

Sistemul mecanic al unui robot depinde de tipul robotului: fix sau mobil. Astfel, structura mecanica este formata dintr-o structura de locomotie, care realizeaza deplasarea robotului (in cazul robotilor mobili) și o structura de manipulare, care asigura pozitionarea și orientarea efectorului final.

Structura de manipulare (manipulatorul robotului) este formata din ansamblul dispozitiv de ghidare-efector final. Efectorul final reprezinta subansamblul structurii mecanice a robotului care interactioneaza cu mediul. În cazul unui manipulator, efectorul final este un dispozitiv de prehensiune care realizeaza prinderea și mentinerea obiectului manipulat. În functie de sarcina robotului, efectorul final poate fi un dispozitiv specializat (pentru sudare, vopsire) sau cu o scula prelucratoare. Punctul efectorului final (obiectului manipulat), ales în mod conventional, utilizat pentru determinarea legilor de miscare, respectiv a distributiilor de viteze și acceleratii în cadrul miscarii generale spatiale a acestuia se numeste punct caracteristic. Dreapta care apartine efectorului final și care trece prin punctul caracteristic, folosita pentru descrierea miscarii (exprimarea orientarii), se numeste dreapta caracteristica. Partea dispozitivului de ghidare care realizeaza orientarea dreptei caracteristice dupa o succesiune de directii impuse se numeste mecanism de orientare. Dispozitivul de ghidare este deci ansamblul care imprima efectorului final o miscare bine determinata. Partea dispozitivului de ghidare care asigura deplasarea punctului caracteristic pe o traiectorie impusa (traiectorie continua), sau în pozitii succesive impuse (traiectorie punct cu punct) se numeste mecanism generator de traiectorie. În general, se poate considera ca structura de manipulare reprezinta un lant cinematic (deschis sau inchis), format din elemente mecanice (corpuri rigide sau deformabile), legate intre ele prin cuple cinematice active sau pasive. Legatura este definita prin restrictii de natura geometrica impuse parametrilor de situare relativa a corpurilor conectate. Din punct de vedere fizic, legatura reprezinta o cupla cinematica motoare. Lantul cinematic al unui robot contine doar cuple cinematice de clasa a V-a, de rotatie și de translatie.

În studiul geometric, cinematic și dinamic al robotilor, legaturile sunt considerate scleronome și olonome, deci ideale din punct de vedere mecanic.
Din punct de vedere al structurii mecanice, robotii pot fi: seriali (lant cinematic deschis, toate cuplele cinematice sunt active), paraleli (lant cinematic inchis) sau structura mixta. Majoritatea robotilor au structura seriala.

1.3.3 Configurații și caracteristici ale roboților industriali roboților industriali sunt:

Caracteristici

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

Geometrie

Spațiu de lucru

Configurația articulațiilor

Numărul de grade de libertate

Încărcătură

Capacitatea de încărcare/

Încărcarea nominală

– greutatea uneltei + greutatea piesei manipulate

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

Încărcarea utilă = Încărcarea nominală – Greutatea uneltei.

Cinematica

Viteza și accelerația

Viteza pe traiectorie

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

Timpul de mișcare

Precizia

Repetabilitate

Precizia de poziționare

Controller

Hardware

Software

Interfață

Programare

Clasificarea Roboților

Mașinile și uneltele sunt clasificate după funcțiile pe care le îndeplinesc. Dacă îndeplinesc mai multe funcții, atunci se grupează după o funcție principală. Datorită uriașei varietăți de funcții ale roboților, aceștia se pot clasifica în diverse grupe de funcții principale. Astfel, roboții de sudură și de vopsire pot aparține grupelor de mașini de sudură, respectiv mașini b#%l!^+a?de vopsit. Roboții normali (care lucrează cu mâini mecanice) aparțin dispozitivelor de manipulare.

 Robotii industriali sunt sisteme generale electro-pneumo-hidro-mecanice, dotate cu mai multe grade de libertate capabile să execute, autonom și automat, operatii de manipulare sub controlul unui sistem de comanda echipat cu o memorie programabila.

           Principalele caracteristici ale robotilor industriali:

– sunt realizati pentru a executa în principal operatii de manipulare, deplasare și transportare care necesita viteza și exacitate, dar pentru forte limitate;

– sunt dotati cu mai multa grade de libertate (intre 2 și 6), astfel incat să poata executa operatii complexe, fiecare miscare fiind controlata de unitatea de conducere;

– sunt autonomi, functionand fara interventie sistematica a operatorului uman;

– sunt dotati cu o momorie reprogramabila, capabila să conduca o aparatura pentru executarea unor operatii care pot fi schimbate prin modificarea programului initial;

– sunt dotati cu o capacitate logica în general foarte redusa cu ajutorul careia  pot executa incercari și pot alege intre doua alternative, precum și a schimba semnale de aprobare cu alte aparaturi.

           Caracteristicile tehnice ale robotilor industriali includ: dimensiuni, valorile deplasarilor realizabile, precizia, rentabilitatea, numarul de grade de libertate, timpul de actionare, greutatea robotului, volumul spatiului de lucru, capacitatea sistemului de comanda și control, viteza, sarcina transportbila, conditiile de lucru, posibilitatea de a dispune de mai multe brate de lucru, etc.

           Performantele robotilor industriali pot fi apreciate cu ajutorul parametrilor globali, definiti dupa cum urmeaza:

            Parametru global K1:

;

caracterizeaza robotul industrial din punct de  vedere al eficientei sale de interventie în mediul industiral și al supletei sale; prin greutate de servici se intelege greutatea robotului industrial în conditii de functionare (de exemplu, inclusiv greutatea fluidului de actionare).

            Parametru global K2 :

            ;

caracterizeaza robotul industrial din punct de vedere al capacitatii gravitationale specifice de manipulare.

            Parametru global K3 :

                                 ;

caracterizeaza calitatile tehnice ale robotului industrial, acesta fiind cu atat mai bun cu cat K3 este mai mare.

            Pe baza analizei parametrilor constructivi și a domeniului de utilizare a robotilor industriali, s-au stabilit pentru acestia urmatoarele caracteristici:

                     a) Capacitatea de ridicare, reprezinta marimea masei maxime pe care o poate apuca și mentine în orice pozitie mana robotului industrial; în prezent se fabrica manipulatoare și roboti industriali care au capacitati de ridicare, de exemplu, dispuse în serie geometrica cu φ = 2, cuprinse în gramele: 0,004÷0,064; 1,25÷160; 250÷1000kg sau chiar mai mult. Metodele cele mai uzuale au capacitatea de ridicare cuprinsa intre 10 și 160kg.

b) Numarul gradelor de libertate  este numarul posibilitatilor de  miscare a mainii robotului industrial fara a lua în considerare deplasarea falcilor mainii pentru strangere și desfacere. Numarul gradelor de libertate se stabileste constructiv și trebuie să fie minimul necesar pentru a corespunde destinatiei robotului.

c) Zona de lucru este spatiul în care în timpul functionarii se gasesc mecanismele de executie ale robotului;

– volumul de lucru, adica volumul maxim în care se poate gasi mana robotului industrial în timpul functionarii;

           – volumul de lucru util care reprezinta volumul corespunzator spatiului în care mana realizeaza un lucru mecanic util în concordanta cu

programul robotului.Acest volum se schimba în functie de forma și masa piesei, precum și de pozitia în care aceasta trebuie deplasata da catre robot;

        –  raza maxima de deservire, reprezintand distanta cea mai mare de la axa de simetrie a corpului robotului pana la axa mainii în pozitia în care este inca posibila apucarea și mentinerea piesei de masa maxima.

           d) Gradul de mobilitate a robotului se determina ca fiind capacitatea acesteia de a b#%l!^+a?executa deplasari locale, regionale și globale. Deplasarea locala este considerata miscarea mainii pentru aducerea piesei manipulate în pozitia necesara. Deplasarea regionala a mainii se realizeaza în limitele pozitiei de lucru a robotului și este determinata de raza maxima de deservire. Deplasarea globala se realizeaza pe distante

care depasesc raza maxima de deservire, în cazul cand este necesara de exemplu deplasarea robotului da la o masina-unealta la alta.

In functie de gradul de mobilitate, robotii industriali se impart în doua grupe:

– roboti stationari, care realizeaza deplasari locale și regionale ale mainii;

–        roboti mobili, care executa toate cele trei deplasari.

          e) Schema cinematica structurala, determina posibilitatile cinematice și functionale ale robotilor industriali.

Analiza schemei cinematice structurale se face în functie de sistemul de coordonate (cartezian, cilindric, sferic) în care se deplaseaza mana mecanica a robotului. Alegerea schemei cinematice structurale este de terminata de particularitatile constructive și tehnologice ale masinii sau utilajului tehnologic pe care il deserveste robotul, precum și forma  și dimensiunile piesei manipulate.

Cinematica manipulatoarelor și robotilor induistriali influenteaza asupra constructiei și posibilitatilor  functionale. Analiza cinematicii robotilor industriali  se face dupa numarul gradelor de libertate, tipul miscarilor (translatie sau rotatie) și suscesiunea acestora.

Numarul gradelor de libertate ale unui robot determina o mare varietate de variante posibile de scheme cinematice structurale, ceea ce ingreuneaza alegerea schemei cinematice structurale optime. Nu toate variantele teoretice posibile sunt analoage din punct de vedere constructiv, iar altele nu prezinta interes.

Pentru alegerea tipurilor de variante și a schemei cinematice structurale utilizabile ale robotului se folosesc notiunile de varianta constructiva și respectiv, de varianta cinematica. Variantele constructive se deosebesc intre ele prin cuplele cinematice (cuple de ordinul III,IV,V), prin dispunerea lor relativa și prin tipul de miscare realizata, adica prin acei indici care caracterizeza constructia robotului.

Numarul variantelor constructive se determina cu relatia:

, în care:

     – Nt= NIII+NIV+NV – este numarul total de cuple folosite la constructia robotului;

– NIII,NIV,NV – este numarul cuplelelor cinematice corespunzatoare claselor III,IV,V.

           Primul factor al acestei expresii determina varinatele constructive care se deosebesc intre ele numai printipul cuplei cinematice și prin

dispunerea lor relativa, iar al doilea factor determina traiectoria miscarii, translatie T sau rotatie R, folosita în cuplele de clasa a V-a .

           In practicase folosesc în mod frecvent rosi cu cuple cinematice de clasa a V-a și în consecinta, cele prezentate în continuare se refera la aceste scheme cinematice structurale de roboti.

           Pentru robotii cu o singura mana mecanica, numarul variantelor constructive este m=2N în care N este numarul gradelor de libertate ale robotului (pentru simplificarea notateiei prin N se va intelege NV). Fiecare varianta constructiva are o serie de variante cinematice structurale. Variantele cinematice structurale se deosebesc intre ele doar prin directia miscarii dupa diferite grade de libertate fara modificarea classei, tipului și pozitiei lor în schema de ansamble a robotului.

Figura 1.9

           Pentru stabilirea tuturor variantelor cinematice structurale posibile este necesar să se ia în considerare modul de realizare a miscarilor de translatie și de rotatie (figura 1.9). Miscarea de translatie se poate realiza  cu bratul drept (notata pe figura cu T) sau cu bratul indoit (T’), în timp ce miscarea de rotatie poate să aiba axa de rotatie coaxila (R); daca directiile acestor miscari coincid cu axele sistemului cartezian de referinta (conditie care duce la realizarea zonei de lucru maxime), atunci fiecare miscare urmatoare (sau precedenta) în raport cu precedenta  (sau urmatoarea) poate fi paralela (II), perpenticulara (┴), sau incrucisata (X).

b#%l!^+a?

Figura 1.10

Având în vedere acestea, fiecarei variante constructive ii corespunde nN=2N.3N-1 variante cinematice structurale; inaceasta expresie factrul 2N exprima diversitatea variantelor în functie de caracterul miscarilor de translatie și de rotatie, iar factorul 3N-1 determina varinatele în functie de directia lor de miscare relativa.

De exemplu, roboul cu doua grade de libertate (N=2) are patru (m2=22=4) variante constructive (TT, TR, RT, RR), fiecareia din acestea corespunzandu-i 12(n2=22.31=12) variante cinematice structurale. Totusi, din 4*12=48 variante teoretice posibile, tipice sunt numai 15, aceste variante se deosebesc intre ele prin realizarea    constructiva, forma zonei de lucru și modul de generare a acesteia.

Zona de lucru, sub forma unor suprafete diferite, determina numai 9 variante care sunt considerate ca fiind cele mai utilizabile.

Robotii cu trei grade de libertate au 8 (m3=23=8) varinate consecutive;  acest numar de variante se poate obtine ca rezultat al introducerii unei miscari de rotatie sau de ranslatie la variantele constructive ale robotilor cu doua grade de libertate.

           Pentru usurinta analizei alegerii corecte a cinmaticii, robotii se pot imparti în trei grupe cinematice care se deosebesc intre ele dupa rolul functional, cinematica batiului, cinematica bratului, cinematica articulatiilor.

f) Cinematica batiului. Gradele de libertate ale miscarilor care asigura deplasarea robotului, adica deplasarea batiului sau, caracterizeaza cinematica batiului. Avand în vedere destinatia functionala cat și exemplele  de constructii de roboti existenti, se considera ca este suficient daca batiul are un singur grad de libertate caracteristic zonei de lucru sau sistemului de deplasare (de exemplu, pentru deplasarea robotului de la o masina-unealta la alta).

Cinematica bratului. Gradele de libertate ale miscarilor care    asigura deplasarea spatiala a mainii mecanice pentru un batiu nedeplasabil caracterizeaza cinematica bratului robotului. Schema cinematica structurala care  realizeaza trei deplasari rectilinii alternative asigura deplasarea bratului 1 cu mana mecanica 2 intr-un sistem de coordonate carteziene. Avantajul acestei scheme cinematice structurale consta în aceea ca în timpul deplasarii piesa manipulata isi pastreaza orientarea. Schema cinematica structurala care realizeaza 2 miscari rectilinii alternative și una de rotatie asigura deplasarea piesei în coordonatele cilindrice.

Pentru o schema cinematica structurala a bratului cu doua miscari de rotatie  și una de translatie robotul deplaseaza piesaaa în coordonate sferice.

2.Stadiul actual al roboților seriali tip 3R-3R

 1.1. Scurt istoric 

O societate industrializată avansată presupune o automatizare flexibilă a proceselor  productive, în care manipulatoarele și roboții industrialiau un rol determinant.

Avăndcîn vedere că roboții industriali sunt flexibili, asigurând libertăți de mișcare similare cu acelea ale  membrelor superioare (brat-mâna) ale ființelor umane, utilizarea lor produce o serie de avantajeeconomice și sociale.  

Între   acestea   pot  fi  menționate:  creșterea  productivității, umanizarea  vieții  muncitorilor, prevenirea accidentelor  de muncă,  ridicarea  calității  produselor  și  recuperarea mai  rapidă  a  investițiilor .Crearea unor mijloace de automatizare de tipul manipulatoarelor  și roboților a fostdetermintă, printre altele, de creșterea nomenclaturii pieselor produse și de reducerea cotei relative a producțiilor de masă și de serie mare datorită producției de unicate și de serie mică. 

Automatizarea  suplă, reprezentând cel mai înalt nivelal automatizării programabile, se organizează pentr u producția discretă în loturi, în celule de fabricație controlate și conduse de calculator și deservite deunul sau mai mulți roboți industriali. S-a ajuns astfel, prin introducerea manipulatoarelor și a roboților industrial, la transformarea sistemelor de b#%l!^+a?producție de la sisteme om-mașină la sisteme om-robot-mașină.

Această transformare conduce la eliberarea muncitorilor de la prestarea unor munci periculoase sau lipsite deconfort. Robotul industrial folosit în procesele de fabricație este un înlocuitor al omului, putând înlocui, la actualul nivel tehnologic, funcțiile mâinilor, fiind incapabil să aibă picioare. 

Cuvântul ,,robot” are astăzi aproape un secol de viață apărând pentru prima dată în piesa R.U.R. (Robotul Universal al lui Rossum), scrisă de către un dramaturg ceh. Karel și folosit pe planinternațional din anul 1923,când lucrarea menționata a fost tradusă în limba engleză. Termenul de robotică a fost inventat de Isaac Asimov, unul din marii scriitori de 

 Acest scriitor a utilizat pentru prima dată cuvântul ,,robotică” înanul 1942, în povestirea Runaround, în care stabilește de la început ,,cele trei principii ale unuirobot”.

Aceste trei principii, enunțate de către Asimov, sunt :Un robot nu poate leza o ființă umană sau nu poate asista inactiv la o primejdie în care esteimplicată o ființă umană ; 

Un robot trebuie să se supună comenzilor date lui de către ființele umane, cu  excepția  acelora care nu respectă primul principiu ; 

Un robot trebuie să se protejeze pe sine însuși de la vătămări, cu excepția cazurilor în care s-

ar încălca primele două principii ;

 În prezent, prin alăturarea adjectivului ,,industrial”, noul termen,,robot industrial” are osemnificație foarte bine definită în limbajul industrial.

Introducerea manipulatoarelor și a roboților industriali în procesele de producție a avutloc în condițiile trecerii de la fabricația produselor în serii mari la fabricația de serie medie și mică .Operațiile de manipulare a pieselor și a dispozitivelor specializate au devenit astfel de mare importanță în procesele de fabricație.

Fabricarea și utilizarea manipulatoarelor și a roboților industriali a fost posibilă dupăce au fost rezolvate următoarele probleme:

Manipularea pieselor la distanță cu ajutorul mecanismelor  articulate,  numitele manipulatoare ; 

Automatizarea mașinilor unelte utilizând comanda numerică ;

Utilizarea calculatoarelor electronice ; 

Telemanipulatoarele sunt manipulatoareacționate de om de la distanță. Acestea au

apărut din necesitatea manipulării materialelor nocive pentru organismele vii, utilizate în tehnica nucleară. 

Istoria roboților industriali a început cu mai bine de patru decenii și jumătate în urmă, când inventatorul American George Devol observă, pe de o parte, accelerarea învechirii (uzurii morale) a mașinilor -unelte sip e de altă parte, numărul mare de muncitori care erau obligați să efectueze o extenuantă muncă repetitivă.

Invenția imaginată de G.Devol trebuia să fie omașina universala care să poată efectua o varietate de operații secundare repetitive și care să se  poată  adapta  unui  nou  process tehnologic. 

Conceptul de ,,robot industrial” a prins contur în anul1954, când George Devol a solicitat brevet pentru un manipulator de uz general cu memorie retroactivă și control punct cu punct, manipulator construit abia în anul 1958. Brevetul a fost vândut firmei Condec, care va deveni celebra firmă deazi Unimation. Primul prototip, robotul Unimate(UNIversal autoMATE) realizat de către această firmă, asemănător modelelor următoare, dateazădin 1962; în același an fiind realizat primul robot Ford și primul Versatran. 

 Desigur, nu trebuie să ignorăm importanța dificultăților economice și sociale care apar la introducerea acestor mijloace de automatizare în producție. Costul ridicat al robotului impune oanaliză aprofundată a implicațiilor introducerii acestuia ca mijloc de operare în cadrul unui procestehnologic. Totuși, în ciuda acestor dificultăți, dezvoltarea roboților în anii de după 1970 poate fi considerată fără exagerare drept explozivă. În aceeiași perioadă la Universitatea din Stanford a fost realizat un sistem manipulator -ochi-mână pentru manipularea unor cuburi colorate iar în anul 1972 a fost realizat robotul mobilintelligent, denumit Shakey, echipat cu cameră de televiziune, sensor de proximitate etc., pentu

Conform enciclopediei Webster, un robot este "un dispozitiv automat, care executa functii normal atribuite oamenilor, sau o mainii cu asemănare de om".

In timp ce aceasta definitie ar putea fi satisfacatoare pentru unii dintre noi, nu este înssăi neapăirat și completăi. O alta definitie a fost dată de Institutul de Roboticii din America, în anul1979. Conform acestei definitii, un robot este "o masina reprogramabila, multifunctională creata pentru a muta diverse materiale, bucati, unelte sau alte dispozitive specializate prin diverse miscari programate, pentru realizarea unei varietati mari de sarcini".

0 definitie mai scurta și larg acceptată la ora actuala este urmatoarea: un robot este un sistem inteligent care interactioneaza cu mediul fizic înconjurator, prin intermediul unor senzori și a unor efectori .

Pentru a modela lumea lnconjuratoare, este necesar ca un robot să adune date prin intermediul senzorilor de-a lungul unei perioade de timp. Orice tip de senzor este bineințeles predispus la erori. b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a?