Roboți pentru servicii [305296]

[anonimizat]-

Cadru didactic:

Prof. Univ. Dr. Ing. Dorin TELEA

Asist. Univ. Drd. Ing. Alexandru BÂRSAN

Studenții:Zăuleț Eugen Vasile

Fediuc Bogdan

Specializare/Grupă:Robotică-145

Sibiu, 2020

Cuprins

1.Introducere 1

1.1 Notiuni generale 1

1.2 Roboții mobili pentru servicii 7

2.Roboți in logistică 9

2.1 Robotul “Smart Shuttle Container” 11

2.2 Programarea si configurarea robotului 14

3.Concluzii 24

4.Bibliografie 25

1.Introducere

1.1 Notiuni generale

Robotul este un dispozitiv controlat de computer care combină tehnologia computerelor digitale cu servotehnologia și controlul lanțurilor articulate. Este ușor de reprogramat pentru a efectua o varietate de sarcini și trebuie să aibă senzori care să îl ajute să reacționeze și să se adapteze la condiții aleatorii. Cea mai mare parte a roboților satisfac această definiție. O [anonimizat] „simțuri” [anonimizat].

Componentele de bază ale unui sistem robot sunt:

Structura mecanică;

Sistemul de transmitere și de acționare;

Senzorii;

Comanda/Interfata;

Puterea de conversie;

Controlul.

Fig 1.1 – Arhitectura roboțiilor industriali

Fig 1.2 – Dezvoltarea Roboticii

Fig 1.3 – Piața roboților industriali

Fig 1.4.a – Tipuri de roboți mobili

În imaginea de mai sus avem reprezentat produse și prototipuri ale diferiților roboți mobili și vehicule autonome bazate pe sol destinate automatizării unei părți a lanțului de depozitare și livrare.Acestea pot fi în spațiu închis sau deschis.

Fig 1.4.b – [anonimizat]. Această cifră exclude alegerea de roboți mobili în prezent. Figura dreaptă arată proiecțiile pieței în număr de unități pentru roboți mobili colaborativi. [anonimizat].

Fig 1.4.c – Tipuri de roboți de tip remorci si stivuitoare autonome

Fig 1.5 – Tipuri de roboți “Goods to Person”

Roboții din figura 1.5 mai sunt numiți rafturile mobile deoarece au fost concepuți pentru a ajuta personalul și a [anonimizat], nemaifiind nevoie ca un angajat să se deplaseze la un anumit punct în depozit pentru a [anonimizat]-se cu raftul unde este nevoie. [anonimizat] 80%.

Fig 1.6 – Tipuri de roboți de tip ASRS (AUTOMATED STORAGE AND RETRIEVAL SYSTEM)

Un sistem automatizat de stocare și regăsire ( ASRS sau AS / RS ) constă într-o varietate de sisteme controlate de computer pentru plasarea și preluarea automată a încărcărilor din locațiile de stocare definite. Sistemele automatizate de stocare și regăsire (AS / RS) sunt utilizate de obicei în aplicații în care:

[anonimizat],

nu este adăugată nicio valoare în acest proces ([anonimizat]),

Un studiu de piață „Boston Consulting Grup” ne arată că există peste 1,6 [anonimizat] 9,5 [anonimizat]. (Fig 3)

Rata de creștere anuală, a vânzărilor de roboți industriali este estimată a fi a doua cea mai bună din toate domeniile roboticii. Aceasta evidențiază tendința de a introduce mai mulți roboți în diverse industrii prin înlocuirea operatorilor umani și a unor procese, ca exemplu: frezarea tradițională și mașinile-unelte cu comandă numerică.

1.2 Roboții mobili pentru servicii

Avantajele principale care se pot obține ca urmare a automatizării prin introducerea manipulatoarelor și roboților sunt:

• componentele sunt comune pentru un număr mare de roboți și pot fi produse în serii mari, cu o reducere considerabilă a costurilor și îmbunătățirea fiabilității;

• investițiile nu mai sunt legate de o aplicație concretă, roboții realizați putând fi utilizați în diferite scopuri;

• timpii de pregătire a fabricației sunt substanțial reduși, putând să se dispună de sisteme “gata pentru montare”;

• este posibilă efectuarea automatizării operațiilor legate de articole unicat sau în serii mici;

• se pot executa cu același braț manipulator operații solicitate, de obicei, de diferite utilaje și/sau procese.

Roboții mobili au multiple întrebuințări, de-a lungul timpului existând roboți mobili cu funcții diverse, de la aspirator pentru uz casnic la explorator spațial, de la vehicul ghidat automat (AGV – Automated Guided Vehicles), folosit în industrie, la robotul de explorare folosit doar pentru scopuri științifice.

Fig 1.7 -AGV – Automated Guided Vehicles

Pentru a putea naviga controlat în spațiul de operare, un robot mobil trebuie să dispună de un sistem senzorial care permite măsurarea valorilor unor parametrii interni dar și ai unora care descriu mediul de operare.

Sistemul senzorial furnizează date pentru determinarea feedback-ului de comandă pentru corecția modului în care a fost efectuată comanda dată.

Senzorii interni sunt utilizați cu scopul monitorizării stării interne a robotului prin măsurarea pozițiilor, vitezelor, accelerațiilor etc., cu scopul menținerii în parametrii sai dar si pentru evitarea situațiilor nedorite de funcționare (de ex. oprire în cazul coliziunii robotului cu obiecte din mediu).

Senzorii externi sunt folosiți pentru identificarea și măsurarea unor parametri caracteristici ai mediului înconjurător și obiectelor din acesta (de ex. dimensiuni, forme, culori, etc.).

În general, senzorii externi, montați pe platformele mobile și/sau în mediul de operare pot fi sisteme de tip vision (camere video 2D și/sau 3D) sau non-vision, bazați pe principii fizice diverse (mecanice, magnetice, electrice, optice, acustice, luminoase) operând prin unde electromagnetice, laser sau radio.

Pentru realizarea funcției de autonomie robotul mobil de servicii pe roți trebuie să fie capabil să perceapă mediul în care operează, dar și să detecteze și să ocolească obstacolele din mediul respectiv .De exemplu, pentru navigarea în mediul de operare cu identificarea diverselor obstacole, anumite obiecte din mediu de lucru pot fi detectate cu senzori infraroșu și altele doar de senzori ultrasonici.

2.Roboți in logistică

Potrivit unui sondaj efectuat anul acesta de International Data Corporation (IDC), 16,5% dintre companiile de retail se folosesc de roboți pentru gestionarea eficientă a proceselor de fulfillment.

În depozite, roboții ajută angajații să selecteze elemente, să sorteze stocul și să transporte produse, lucru care reduce mult timpul dar și costurile aferente procesării comenzilor, raportează roboticsbusinessreview.com.

Interesul pentru utilizarea roboților este confirmat de rezultatele unui raport publicat de Federația Internațională de Robotică (IFR) în acest an.Conform datelor, în 2017, numărul sistemelor automatizate prezente în depozitele logistice a crescut cu 162% față de anul 2016. Autorii raportului concluzionează însă că „numărul real al sistemelor automatizate nou instalate este mult mai mare”. De asemenea, valoarea vânzărilor intermediate de sistemele automatizate este estimată la aproximativ 2,383 milioane de dolari.

Gigantul chinez de e-commerce – JD.com – a anunțat la sfârșitul anului trecut deschiderea primei sale stații de roboți-curier în Changsha, capitala provinciei Hunan, în centrul Chinei. Aceștia vor facilita livrarea coletelor din depozite direct către client, dar numai în zonele urbane.

Roboții proiectați de companie au înregistrat deja peste 17.000 de ore pe traseele din orașele chineze în timpul fazei de testare. Rezultatele testelor au fost pozitive și, prin urmare, compania a decis să utilizeze roboții în mod oficial, informează agenția de presa Xinhua.

Stația de livrare nou deschisă este integral automatizata, are o suprafață de 600 mp și permite operativitatea a 20 de roboți-curier. Aceștia livrează colete în zonele urbane și pot realiza în total aproximativ 2000 de livrări pe zi, pe aria desemnată, circulând pe pilot automat cu o viteza de 20km/h.

Datorită tehnologiei utilizate (face recognition software), vehiculul va putea să scaneze și să recunoască fața persoanei care colectează bunurile. Pentru cei care nu doresc acest lucru, însă, există și o altă opțiune care presupune introducerea tradițională a unui cod.

Vehiculele ghidate automat cunoscute și sub prescurtarea de AGV-uri (din engleza “Automated Guided Vehicles”) sunt roboți mobili care au abilitatea de a se ghida în mod automat pentru a conduce și transporta diverse obiecte la o anumită locație într-o manieră sigură și predictibilă. Aceștia reprezintă o alternativă flexibilă a modului de transport de materiale intern “clasic” specific unităților de producție, cum ar fi:

– cu ajutorul unui transpalet;

– cu ajutorul unor motostivuitoare;

– cu ajutorul unor conveioare;

– cu ajutorul unor carucioare împinse manual.

Scopul acestor roboți este de a realiza același proces de transport în mod automat și autonom, fără intervenția operatorului uman. Vehiculele ghidate automat se clasifica în următoarele categorii principale, în funcție de modul de navigație folosit:

– cu scanner;

– cu laser;

– cu urmarire a unor puncte;

– cu urmarire a unei benzi magnetice;

– cu urmarire a unei fir inductiv;

– mixt.

Fig 2.1.a – Navigație cu ajutorul unui scanner Fig 2.1.b – Navigație cu ajutorul unui laser

Fig 2.1.c – Navigație cu ajutorul unui șir de puncte Fig 2.1.d – Navigație cu ajutorul unei benzi magnetice

Fig 2.1.e – Navigație cu ajutorul unui fir inductive Fig 2.1.f – Sistem de navigație mixt

2.1 Robotul “Smart Shuttle Container”

Un astfel de robot folosit in logistica este “Smart Shuttle Container” produs de firma “Incubed IT”(Austria).

Fig 2.2 – Robotul “Smart Shuttle Container” de la Incubed IT

Robotul utilizat în cadrul acestui proiect este un robot autonom cu mod de navigare dinamic folosind un scanner. Acesta are abilitatea de a parcurge un traseu cu ajutorul unei harți. Acesta scanează mediul înconjurator și compară informațiile obținute în urma scanarii pentru a se localiza pe harta și a naviga cu succes pe traseul impus.

Robotul este prevăzut cu un scanner principal folosit pentru navigație, doi senzori laterali de proximitate pentru depistarea obstacolelor și un scanner secundar situat in spatele robotului pentru mersul cu spatele si depistarea obstacolelor pe parcursul efectuării acestei mișcari. Principalele caracteristici functionale ale acestuia sunt:

Acest robot folosește un mod de conducere diferențial, fapt ce îi permite să efectueaze rotații în jurul propriei axe. Pe langă această mișcare de rotație, robotul efectuează o translație principală care poate fi efectuată în orice direcție în funcție de orientarea acestuia.

Fig 2.3 – Schema explicativă a mișcarilor efectuate de robot

Acesta este dotat și cu un sistem de role si doi senzori pe partea superioară care detectează prezența unei încarcaturi pe robot și o trage pana în capatul rolelor. Pentru a se asigura că încarcatura nu cade, robotul este prevăzut și cu un stopper care vine ca masura de siguranță și împiedică alunecarea cutiei de pe robot in cazul unei franări.

Fig 2.4– Rolele de pe partea superioară a robotului.

Pe partea inferioara a robotului sunt prezente urmatoarele butoane de comanda:

Fig 2.5– Butoanele de comandă principale ale robotului

Unde:

A: Încărcare

Încărcare manuală

B: Pornirea sistemului (System ON)

C: Oprirea sistemului (System OFF)

D: Eliberarea frânelor

Pentru mutarea manuală a robotului

E: Pornirea/Oprirea sursei de alimentare

Pentru transportul robotului sau înlocuirea bateriei.

De asemenea pe partea superioară a robotului sunt prezente butoanele cu rol operațional care pot fi configurate în diferite moduri. Acestea sunt practic conectate la un modul I/O, iar fiecare buton de pe partea superioară, cu excepția butonului de urgență sunt intrari în modului I/O.

Fig 2.6– Butoanele operaționale de pe partea superioară a robotului.

Robotul se controlează cu ajutorul unei manete similare manetelor unor console de jocuri video. Această manetă este folosită în procesul de programare a robotului sau în modul de folosire manuală a robotului.

Fig 2.7– Maneta de control a robotului

Maneta se folosește pentru executarea mișcarilor de bază a robotului și pentru modificarea vitezelor liniare si unghiulare cu care acesta se deplasează.

2.2 Programarea si configurarea robotului

Programarea robotului se face în soft-ul său propriu de programare numit “Incubed Client”. În acest program se poate configura harta pe care robotul v-a circula, punctele la care acesta trebuie să ajungă și să se întoarcă, parametri de funcționare a robotului și generarea comenzilor, fie manuale, fie în mod automat.

Baza de date a programului este instalată pe un server, iar robotul, cu ajutorul unei conexiuni wireless la internet comunică cu informațiile primite de pe server.

Astfel, informațiile nu sunt păstrate local pe calculator, iar programul este practic un portal ce permite conectarea cu informațiile de pe server.

Fig 2.8– Ferastra cu datele necesare pentru conectarea pe server

Pentru conectarea pe server avem nevoie de un username autorizat însoțit de o parolă și de IP-ul serverului pe care dorim să ne conectăm, în cazul nostru serverul pe care este stocata baza de date a robotului.

În urma conectării cu succes pe server cu ajutorul executabilului numit “incubed IT Client Launcher” se deschide automat mediul de programare al robotului în care vom găsii toate informațiile relevante programării acestuia.

Pentru ca robotul să poată să îndeplinească automat funcția de transport al unui obiect avem nevoie de:

– înregistrarea unei harți;

– definirea zonelor de lucru de pe hartă;

– definirea punctelor caracteristice originii si destinației;

– configurarea modului în care să se realizeze transportul.

înregistrarea unei harți

Primul pas în configurarea robotului presupune înregistrarea unei harți. Rolul acestei harți este de a ajuta robotul să navigheze zona de lucru în care se realizează transportul. Robotul v-a folosi această hartă pentru a compara datele cu privire la mediul înconjurator oferite ca rezultat al scanarii în timp real al mediului înconjurator și compararea acestor date cu cele de pe hartă. Pentru realizarea unei harți este necesară mai întai pornirea robotului. Pornirea acestuia se realizează prin apăsarea butonului de comandă verde, de pornire.

Fig 2.9– Pornirea robotului prin apasarea butonului verde

Timpul de inițializare al robotului este de aproximativ 1 minut. Odată ce robotul a fost pornit și acesta s-a inițializat acesta v-a apărea în interfața grafică de programare sub denumirea de “Anna” în câmpul din stanga al meniului principal.

Fig 2.10– Câmpul din stanga al interfeței grafice

Dupa ce robotul a fost pornit se dă click dreapta pe numele robotului, “Anna”,și se selectează comanda de înregistrarea unei harți, “record map”.

Fig 2.11– Selectarea comenzii de înregistrare a unei hărți

Odată cu selectarea comenzii, scanner-ul frontal al robotului v-a deveni activ. Acesta v-a scana la o raza de 20 de metri tot ce este în fața sa, la un unghi de scanare de 230 de grade.

Urmatorul pas este pornirea efectivă a scanării și conducerea în modul manual al robotului pe traseul care se dorește a fi înregistrat sub forma unei harți.

Pentru aceasta se selectează din fereastra de înregistrări a harții, comanda “start” și se începe parcurgerea traseului prin manevrarea robotului cu maneta de control.

Fig 2.12– Fereastra de înregistrare a harții

Este indicat ca pentru a obține o hartă cât mai precisă să se controleze robotul cu o viteză redusă pentru a se putea obține detaliile specifice de pe traseu cum ar fi pereții, ușiile, echipamentele din jur, stâlpi, etc.

Odată ce traseseul a fost parcurs cu succes, în fereastra de înregistrare a hărții se va construii automat harta. Această hartă este compusă dintr-o multitudine de puncte rezultate în urma scanării.

Fig 2.13– Harta rezultată în urma scanării traseului

configurarea traseului

Următorul pas este definirea zonelor de pe hartă și introducerea zonelor de referință pe harta. Astfel, se salvează harta și se deschide modulul de editare al harții, unde se definesc zonele de lucru și tipul anumitor arii de pe hartă.

Orice arie de pe hartă poate fi setată ca fiind:

– zona interzisă: în care robotul nu v-a încerca să intre (marcate cu gri);

– zone libere: pe unde robotul v-a trece dacă v-a avea posibilitatea (lăsate libere, marcate cu alb);

– zone țintă de unde acesta v-a pleca sau se v-a opri;

După definirea zonelor de lucru prin suprapunerea peste hartă a zonelor marcate cu culorile aferente specificațiilor se salvează și se închide fereastra.

Astfel, în urma configurării harții și definirea zonelor de lucru harta v-a arăta în felul urmator:

Fig 2.14– Harta zonei de lucru a robotului

Cu culoare gri sunt delimitate zonele în care robotului îi este interzis accesul, iar în mijlocul hărții, aria lăsată liberă și marcată cu zona albă este aria de lucru a robotului. De asemenea pe această hartă sunt prezente si punctele între care robotul v-a trebui să efectueze transportul. În partea stangă este punctul din care robotul v-a pleca cu materiale, iar în dreapta este punctul în care robotul trebuie să ajungă pentru a lăsa materialele.

Definirea celor două puncte se face prin amplasarea pe hartă în zonele dorite a unui dreptunghi ale cărui proprietăți sunt configurate în funcție de modul în care se dorește a se acționa de către robot în acel punct.

În cazul nostru ambele puncte sunt selectate ca fiind de tipul “get_manual” si “put_manual” ceea ce înseamnă că în ambele puncte robotul asteaptă să fie încărcat de către un operator, respectiv descărcat de către un operator.

Fig 2.15.a– Punctul de plecare Fig 2.15.b– Punctul de destinatie

Selectarea acestor două opțiuni presupune ca robotul să plece din primul punct doar după ce cutia a fost încarcată pe acesta de către operator și se apasă butonul de “TARGET 1” situat pe partea superioară a robotului. Apăsarea butonului presupune plecarea către acel punct.

Fig 2.16– Butoanele de pe partea superioara a robotului

Aceeași operație se va repeta într-o manieră similară atunci când robotul v-a ajunge la destinație, cu mențiunea că de data acesta v-a trebui descărcat de către operatorul aflat pe linie și apăsat butonul de “HOME”. Apăsarea butonului presupune plecarea către punctul de origine.

Odată ce toate aceste setări sunt efectuate se poate trece la montarea stației de alimentare cu curent al robotului și punerea acestuia în funcțiune.

Specificații cu privire la stația de încărcare cu curent

După ce traseul și funcțiile operaționale ale robotului au fost configurate mai rămâne montarea stației de încărcare a acestuia în zona de unde se face încărcarea cu materiale.

Încărcarea robotului se realizează cu ajutorul încărcatorului propriu. Acest încărcător este realizat dintr-un suport ceramic pe care sunt dispuse două lamele de cupru cu dimensiunile de 10 cm lungime și 5cm lățime. Acestea sunt dispuse pe partea inferioară a suporului ceramic care este fixat de podea cu ajutorul unei benzi duble adezive.

Cele două lamele de cupru sunt conectate la un acumulator care este conectat la o sursă de tensiune de 24V.

Fig 2.17– Stația de încărcare a robotului

Robotul v-a veni la stația de încărcare cu materiale și se va așeza deasupra celor doua lamele. În acel moment, odată ce robotul se află deasupra lamelelor, cei doi pini de încărcare ai robotului vor coborî automat de îndată ce robotul se oprește din mișcare și vor face contact cu lamelele de cupru astfel pornind astfel procesul de alimentare cu curent al robotului.

Fig 2.18.a – Robotul aflat în fața stației de încărcare

Fig 2.18.b– Robotul aflat deasupra stație de încărcare cu pinii aflați în contact cu lamelele

Astfel, se asigură ca de fiecare dată când robotul așteaptă să fie încărcat cu materiale acesta se încarcă cu curent. În acest mod se asigură ca șansele ca acesta sa rămână fără baterie sunt minime.

3.Concluzii

Aplicațiile robotizate din ziua de azi sunt tot mai numeroase, iar toate au ca scop principal reducerea costurilor operaționale aferente industriei. De asemenea trend-ul actual este de a înlocui oamenii care efectuează aceste operații, cu scopul obținerii unor rezultate constante.

Flexibilitatea roboțiilor ghidați în mod automat este reprezentată de abilitatea acestora de a merge pe anumite direcții, cu anumite viteze, într-o anumită ordine și tocmai de aceea în urma manierii predictibile a aplicațiilor se pot observa clar potențialele probleme ce pot apărea sau ce pot duce la obținerea unor rezultate ineficiente din partea aplicației.

De regulă vehiculele ghidate automat au două probleme foarte des întâlnite în cadrul funcționării lor. Una din probleme este ghidarea efectivă pe hartă cu ajutorul reperelor prezente în mediul înconjurător. Este de preferat ca definirea acestor repere să se facă cu atenție și să se evite definirea ca puncte de reper a obiectelor mobile sau pe roți ce se pot deplasa și au punct de coordonate variabile pe hartă. A doua problemă, probabil și cel mai des întâlnită, în cazul folosirii oricăror tipuri de roboți este evitarea obstacolelor. Majoritatea aplicațiilor robotizate au un traseu fix și prestabilit de funcționare ce nu le permite ocolirea unui obstacol aflat pe direcția lor de mers. De regula aceste tipuri de roboți sunt cei care utilizează benzi magnetice sau fire inductive în podea pentru ghidarea acestora.

În cazul în care traseele de deplasare ale roboțiilor sunt inevitabil traversate de către oameni sau pe anumite porțiuni din traseu pot apărea obstacole temporare, se preferă folosirea roboțiilor autonomi dinamici dotați cu sisteme de detecție preventivă și recalculare a rutelor de deplasare.

De asemenea se planifică folosirea unui grup de roboți care să funcționeze în tandem pe trasee diferite, fiecare cu rolul de a prelua, transporta și descărca materiale necesare pe linia de producție.