Școala Doctorală de Ingineria și Managementul Sistemelor Tehnologice [310515]

Universitatea POLITEHNICA din București

Școala Doctorală de Ingineria și Managementul Sistemelor Tehnologice

Contractul de studii universitare

de doctorat nr: 06.02/01.10.2015

Domeniul fundamental de doctorat Științe Inginerești

Domeniul de doctorat Inginerie Industrială

Raportul științific nr. 1

Tema de cercetare: [anonimizat]: [anonimizat]: Prof. univ. emerit dr. ing. Păun ANTONESCU

2016

CUPRINS

CAPITOLUL 1. ASPECTE GENERALE ALE ROBOȚILOR

Scurt istoric al roboților

Termenul robot (din cehă robot) a fost utilizat de Josef Čapek și Karel Čapek în lucrările lor de Science Fiction la începutul secolului XX ("Roboții universali ai lui Rossum"). Denumirea de robot este de origine slavă și se poate traduce prin: muncă sau muncă silnică. Karel Čapek a descris în una din piesele sale din anul 1921, [anonimizat]. Bazele roboților din zilele noastre se află într-o perioadă mult mai îndepărtată. Primele modele de toboți pot fi mai degrabă numite automate ([anonimizat]). [anonimizat] [ 2 ].

În ultima vreme asistăm la o explozie în domeniul realizărilor robotice. Cercetările sunt orientate în două direcții principale:

o direcție pe „orizontală”, lărgindu-se extrem de mult aria de folosire a roboților, în special în toate ramurile industriale și cu precădere cele „neprietenoase” omului, [anonimizat] a serviciilor

o direcție „pe verticală”, [anonimizat], [anonimizat].

Evoluția roboților este strâns legată de evoluția puterii de calcul. Se estimează că noile dispozitive integrate de calcul vor putea procesa o [anonimizat] (MIPS). În acest fel va crește gradul de „inteligență” al robotului.

[anonimizat]. Robotul este un sistem compus din mai multe elemente:

Mecanică;

Senzori;

Actuatori;

Mecanism de direcționare.

Mecanica stabilește înfățișarea robotului și mișcările posibile pe timp de funcționare. Senzorii și actuatorii sunt întrebuințați la interacția cu mediul sistemului. [anonimizat], evaluând de exemplu informațiile senzorilor. Mecanismul reglează motoarele și planifică mișcările care trebuie efectuate. Roboții cu formă umană sunt numiți androizi [7].

Tot „robot”, prescurtat „bot”, pot fi numite programele de calculator care îndeplinesc automat anumite funcții sau operațiuni. [anonimizat][7].

O altă definiție acceptată la ora actuală este următoarea: [anonimizat]. Pentru a modela lumea inconjurătoare este necesar ca un robot să adune date prin intermediul senzorilor de – a lungul unei perioade de timp. Orice tip de senzor este predispus la erori. Dezvoltarea tehnologiei a determinat utilizarea robotilor in majoritatea industriilor [8].

Companiile constructoare definesc roboții în moduri diferite conform functiei indepliniteintr-un anumit mediu:

– RIA (Robot Institute of America): „Robotul este un manipulator multifuncțional, reprogramabil, destinat deplasării materialelor, pieselor, sculelor sau altor dispozitive specializate prin mișcări variabile, programate pentru a îndeplini anumite sarcini”.

– JIRA (Japan Industrial Robot Association): „Robotul este un dispozitiv versatil și flexibil care oferă funcții de deplasare similare celor ale membrelor umane sau ale cărui funcții de deplasare sunt comandate de senzori și de mijloace proprii de recunoaștere”.

– BRA (British Robot Association): „Robotul este un dispozitiv reprogramabil realizat pentru manipularea și transportul pieselor, sculelor sau altor mijloace de producție prin mișcări variabile programate pentru a îndeplini sarcini specifice de fabricație”.

– General Motors: „Robotul este un echipament fizic cu funcționare programabilă capabil să efectueze anumite operații și secvențe de operații orientate spre manipularea de piese, scule, subansamble”.

Din definițiile prezentate mai sus se poate observa că, în cele mai multe cazuri, accentul se pune pe latura industrială a robotului. Una dintre primele definiții date acestei creații mecanice arată că acesta imită omul sau posibilitățile sale de acțiune.

Având în vedere dezvoltarea cercetării din domeniu și exemplarele fizice de roboți mobili construite care imită diferite vietăți, am putea completa această definiție astfel: „Roboții sunt sisteme mecanice cu structura variabilă, controlate de sisteme complexe și concepute pentru executarea de operații asemănătoare acțiunilor ființelor (umane și nu numai)”.

Asociația de Robotică din România afirmă :

„Robotica este un domeniu de știință în curs de formare, cu un pronunțat caracter multidisciplinar. Izvoarele sale se găsesc în domeniile de: teoria mecanismelor, transmisii mecanice, dinamica mașinilor, tehnologie, dispozitive, electronica industrială, calculatoare, automatică, inteligență artificială, biomecatronica, economie, inginerie industrială, management, ergonomie, psihosociologia muncii.”

„Robotica se ocupă de cercetări fundamentale și fundamental orientate privindautomatizarea operațiilor de manipulare a obiectelor în mediu industrial obișnuit, în medii inaccesibile sau greu accesibile operatorilor umani, în medicină și îngrijirea / recuperarea bolnavilor, în activități de servicii și casnice, în activități militare.

Latura aplicativă a roboticii vizează:

– construcția, funcționarea și repararea instalațiilor pentru automatizarea operațiilor humanoide și a instalațiilor aducătoare / de evacuare;

– corelarea funcționarii utilajelor, mașinilor, centrelor de prelucrare cu instalații aducătoare / de evacuare și instalațiile pentru automatizarea operațiilor humanoide;

– conceperea proceselor de fabricație de grup flexibile automate;

– conceperea, construcția și implementarea sistemelor și metasistemelor de fabricație flexibilă automată (Flexible Manufacturing Sistem, FAS, CIM);

– construcția și funcționarea dispozitivelor de control;

– diagnosticarea și repararea automată a componentelor sistemelor de fabricație automată;

– aplicații industriale ale inteligenței artificiale”[3].

Fig. 1.1. Tanc de ultimă generație “Armata”

Aspecte generale ale robotilor mobili

La momentul realizarii sistemelor de locomoție ale roboților mobili trebuie să se țină cont de îndeplinirea unor activități complexe cum ar fi: abordarea scărilor, escaladarea diferitelor obstacole, deplasarea în terenuri accidentate etc. În astfel de situații, siguranța în funcționarea robotului mobil depinde în principal de stabilitatea acestuia (pentru evitarea răsturnării sub greutatea proprie sau a sarcinii purtate) și de aderența la terenul pe care se deplasează (pentru evitarea patinării chiar în condițiile unui sol cu caracteristici nefavorabile). Gabaritul redus, ca și greutatea proprie redusă, reprezintă condiții extrem de severe impuse roboților mobili; aceștia trebuie să pătrundă în clădiri și locuri mai puțin accesibile, să se deplaseze pe culoare sau în pasaje proiectate inițial numai pentru accesul omului[ 1].

Un obiectiv esențial al roboticii este elaborarea roboților autonomi. Acești roboți ar putea executa sarcinile de îndeplinit fără alte intervenții umane. Comenzile primite vor preciza ce dorește utilizatorul și nu modul în care robotul să execute comenzile. Roboții capabili să îndeplinească aceste operații vor fi echipați cu senzori de percepere a mediului înconjurător, aflate sub controlul unui sistem de calcul .

Progresul roboților autonomi prezintă un interes foarte mare în multe domenii de aplicații, incluzând diversele procese tehnologice, construcțiile, procesarea deșeurilor, explorarea spațiului, mărilor și oceanelor și a zonelor de risc ridicat, medicină, asistența persoanelor cu handicap, construcții etc [4].

Dezvoltarea tehnologiilor necesare pentru obținerea unor roboți mobili care să ajute sau să înlocuiască diferite operații realizate de operatorul uman implică multe domenii ca cele ale senzorilor, inteligenței artificiale, sistemelor de calcul, planificării traiectoriei, procesării semnalelor, controlului motoarelor, electronicii și științei calculatoarelor. Orientarea într-un mediu total necunoscut, folosind senzori pentru detectarea obstacolelor și comunicația cu un calculator aflat la distanță sunt două aspecte importante care trebuie luate în considerare atunci când se operează cu un robot mobil[4].

Capacitatea roboților de a percepe mediul înconjurător, precum și de a-și schimba comportamentul pe baza informațiilor primite este ceea ce face ca roboții, mai ales cei mobili, să fie atât de interesant de construit și utilizat. Fără senzori, roboții nu ar putea executa altceva decât sarcini ale omului[4].

Robotul mobil este un sistem complex care poate efectua diferite activități într-o varietate de situații specifice lumii reale. El este o combinație de dispozitive echipate cu servomotoare și senzori (aflate sub controlul unui sistem ierarhic de calcul) ce operează într-un spațiu real, marcat de o serie de proprietăți fizice (de exemplu gravitația care influențează mișcarea tuturor roboților care funcționează pe pământ) și care trebuie să planifice mișcările astfel încât robotul să poată realiza o sarcină în funcție de starea inițială a sistemului și în funcție de informația existentă, legată de mediul de lucru[4].

Inconvenientele care apar la roboții mobili sunt: evitarea impactului cu obiectele staționare sau în mișcare, determinarea poziției și orientării robotului pe teren, planificarea unei traiectorii optime de mișcare. În cazul unui sistem robotic automat distribuit, pozițiile spațiale sunt de o mare importanță și de ele depinde îndeplinirea scopurilor dorite și funcționarea întregului sistem. Altfel spus, robotul trebuie să fie capabil să planifice mișcările, să decidă automat ce mișcări să execute pentru a îndeplini o sarcină, în funcție de aranjamentul din acel moment al obiectelor din spațiul de lucru. Planificarea mișcărilor nu constă dintr-o problemă unică și bine determinată, ci dintr-un ansamblu de probleme dintre care unele sunt mai mult sau mai puțin variante ale celorlalte. Evitarea coliziunii cu obstacole fixe sau mobile (de exemplu alți roboți mobili) aflate în spațiul de lucru al robotului se poate face astfel: realizarea unei apărători mecanice care prin deformare oprește robotul, folosirea senzorilor care măsoară distanța până la obstacolele de pe direcția de deplasare, folosirea senzorilor de proximitate, folosirea informațiilor corelate de la mai multe tipuri de senzori .

Localizarea obiectelor se poate realiza și prin contact fizic, dar acesta impune restricții asupra vitezei de mișcare a structurii manipulate. Contactul fizic dintre robot și obiectele din mediu generează forțe de reacțiune care modifică starea robotului. Vitezele mari de lucru fac ca efectele dinamice ale unui contact fizic cu obstacole sau obiecte manipulate să fie riscante (pot duce la deteriorarea obiectelor sau a robotului)[4].

Navigarea robotului este posibilă și fără o determinare a poziției și orientării față de un sistem de coordonate fix, dar această informație este utilă pentru sisteme de comandã a mișcării. Dintre metodele de navigație mai des utilizate se pot menționa: măsurarea numărului de rotații făcute de roțile motoare, folosirea de acceleratoare și giroscoape, geamanduri electromagnetice instalate în teren, semnalizatoare pasive sau semi-pasive de tip optic sau magnetic. Informațiile despre spațiul de lucru se pot obține independent de oricare acțiune a robotului și se pot organiza pe hărți de navigație. Harta oferă o configurație a structurii inițiale a spațiului de lucru. Configurația cerută se obține prin actualizarea hărții inițiale cu informații obținute de la sistemul de navigație al robotului autonom [4].

În funcție de modelul inițial se poate stabili o traiectorie de urmărit pentru atingerea scopului, traiectorie cu atât mai apropiată de cea reală cu cât informațiile despre mediul de lucru sunt mai aproape de realitatea din teren. Informațiile existente inițial pot contribui la o împărțire a spațiului în zone accesibile și zone interzise . În procesul de modelare a spațiului de lucru, este important să se țină seama de dimensiunile și posibilitățile fizico-mecanice de abordare a acestor obstacole de către robot în funcție de dimensiunile lor. Obstacolele din spațiul de lucru trebuie să fie de dimensiuni mai mari , atât pentru siguranța mișcării robotului cât și pentru simplitatea algoritmului de planificare, permițând considerarea robotului ca un punct material [4].

Roboții care își planifică singuri traiectoria de mișcare sunt dotați cu funcții de decizie și încadrați în clasa roboților inteligenți. Sunt roboți la care traiectoria nu se planifică, este fixă și marcată pe teren. Astfel, ei trebuie să evite numai obstacole apărute accidental pe traseul marcat și să prelucreze informația de navigație realizând astfel urmărirea traiectoriei fixate. Roboții mobili nu sunt inteligenți, dar sunt extrem de utili pentru asigurarea transportului în atelierele flexibile ale producției. Robotul mobil este pus în situația de a desfășura acțiuni similare cu cele ale omului. Acest lucru determină existența unor anumite dispozitive prin care să se culeagă informații din mediul de lucru, care să realizeze interacțiunea robot – mediu cu ajutorul unor caracteristici ale mediului sau ale obiectelor din mediu și o unitate centrală care să prelucreze în timp real informația senzorială, să o transforme într-o formă utilă pentru sistemul de comandă. Sistemul senzorial mai este numit și sistem de măsurare.

El asigură măsurarea unor mărimi fizice și eventual perceperea unor modificări semnificative a acestor mărimi. Datorită sistemului senzorial se pot pune în evidențã și caracteristicile geometrice și chimice ale obiectelor din mediul de lucru. Senzorii, datorită caracteristicilor pe care le au pot explora zona de lucru, zona de contact, cea apropiată, cea îndepărtată, iar senzorii foarte puternici chiar și zone foarte îndepărtate. Caracteristicile senzoriale ale unui robot depind foarte mult de gradul său de autonomie, de aplicațiile pentru care a fost proiectat și de tipul mediului de lucru [4].

Fig.1.2. Robot cu șenile

Fig. 1.3. Sistemul Borisoglebsk 2 folosit în războiul radio electronic

CAPITOLUL 2. TIPURI DE ROBOȚI

Clasificarea roboților

În funcție de mediul în care robotul operează:

– Roboți tereștri;

– Roboți marini;

– Roboți zburători.

În funcție de utilizarea lor:

– Roboți industriali;

– Roboți casnici;

– Roboți militari;

– Roboți exploratori;

– Roboți de companie (robot umanoid);

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

În funcție de gradul de libertate:

– Roboți ficși;

– Roboți mobili.

În funcție de sistemul de locomoție:

– Roboți cu roți;

– Roboți cu șenile;

– Roboți pășitori;

– Roboți târâtori

În funcție de domeniul de aplicare

Sector primar (agricultură, minerit)

Sector decundar, producție materiala (procese continue și discontinue)

Sector terțiar ( medicină, domeniul nuclear)

Sectoare special (explorări spațiale, subacvatice)

Tipuri de roboți pe șenile folosiți în armată

Robotul pe șenile „Platforma M” este un echipament militar modern controlat de la distanță construit în Rusia de compania Niti Progress și folosit de forțele siriene pe câmpul de luptă. Acest robot este echipat cu blindaj greu și este capabil să participe la operațiuni de luptă indiferent de condițiile atmisferice. Robotul Platforma M este realizat pentru a colecta informații de pe teren, să detecteze țintele mobile și imobile și apoi să le distrugă. Acest robot oferăsprijin de foc pentru unitățile de infanterie și ale armatei în timpul redislocării sau a deplasării pe teren accidentat. Robotul ” Platforma M” poate fi echipat cu sistem de control semiautomat sau automat de conducere a focului. Vehiculul blindat este echipat cu patru lansatoare de grenade și o mitralieră Kalashnikov, toate acestea controlate de la distanță. Obiectivul principal al acestuia constă în atacuri împotriva țintelor staționare și în mișcare. De asemeni, poate efectua operațiuni de recunoaștere și patrulare, poate traversa zone minate[11].

Fig. 2.1a. Roboti cu șenile Platforma M [11].

Fig. 2.1b. Roboti cu șenile Platforma M [11].

Fig. 2.1c. Roboti cu șenile Platforma M[11].

Fig. 2.1d. Roboti cu șenile Platforma M[11].

Soluții existente privind roboții mobili

Țările puternic industrializate au în dotarea forțelor armate roboți mobili înzestrați cu echipamente de lucru, care permit efectuarea operațiilor de detecție, manipulare și neutralizare a munițiilor neexplodate și a dispozitivelor explozive capcană. În domeniul protecției civile , roboții mobili sunt folosiți pentru a interveni în zone aglomerate (aerogări, gări, piețe, săli de spectacole etc.) pentru a detecta și neutraliza unele dispozitive explozive capcană (colete, genți diplomat, bagaje abandonate etc.)[1].

Aceste colete sunt transportate de către robotul mobil în zone mai puțin periculoase pentru oameni, unde sunt neutralizate cu mijloace specifice. Analizând principalele caracteristici tehnice ale roboților mobili, realizați de firme renumite și utilizați la detecția și neutralizarea munițiilor și dispozitivelor explozive capcană neexplodate, se desprind următoarele:

• Autonomia roboților mobili este strict legată de tipul de acumulatoare care sunt folosite la alimentarea motoarelor, în cazul celor mai bune baterii această autonomie ajungând la 9 ore. Lungimea cablurilor de alimentare cu curent electric este de maxim 250 m, iar raza de acțiune prin radio este în jur de 300 m. [1].

Roboți pe șenile folosiți în inspecția și întreținerea țevilor

De exemplu, folosirea roboților mobili in intreținerea țevilor de gaze, apa, petrol au o importanță deosebită deoarece realizarea acesor activități de către operatorul uman ar necesita eforturi financiare deosebite din partea societațtilor care se ocupă de acest aspect. De aceea s – a recurs la utilizarea acestor roboți pentru inspecția țevilor în vederea îmbunătățirii securității și eficienței în mediul industrial. Roboții folosiți în inspecția în țevi sunt sisteme mecatronice care utilizează senzorii pentru evaluarea stării generale a produsului inspectat. În structura acestor roboți un rol important este sistemul de locomotie. Aceștia au o structură flexibilă și se adaptează ușor la mediul în care operează (diametrul țevii).

De exemplu, roboții pe roți au avantajul controlului facil al direcției și vitezei de deplasare, având un risc mai mare de a se răsturna sau să rămână blocați in interiorul țevii.

Roboții pe șenile sunt foarte stabili, pot traversa anumite obstacole, dar pot rămâne și aceștia blocați în interiorul țevii.

Fig.2.2. b) robot pe roti folosit în inspecția pe țevi

c) robot pe senile folosit în inspecția pe țevi

Versatrax 100 este un sistem pe șenile miniatură capabil de a inspecta țevi și conducte de 10 cm în diametru. Oferă servicii în linie și configurare paralelă pentru diferite dimensiuni de țeavă. Este portabil – întregul sistem se potrivește în două cazuri Pelican (inclusiv cablul de prindere și bobina de mână). În ciuda dimensiunilor sale compacte, acest sistem are puterea de a penetra până la 180 m de țeavă și de a depăși obstacolele și de compensare a articulațiilor. Toate unitățile Versatrax sunt ușor configurabile pentru țeavă rotundă sau exploatarea de suprafață plană. Vehiculele sunt reglabile pentru o gamă de diametre ale țevii.

Caracteristici principale:

Diametru țeavă – min 10cm

Rating -ul Adâncime – 30m

Cablu – 180m

Viteză – până la 10m pe minut

Încărcătură utilă – 10.8 kg

Aparat foto

Culoare, pan, înclinare, culoare auxiliară din spate

Opțiune – 10.2inchi Monitor, DVR Opțional

Aplicații

Canalizare și furtuna canale de scurgere

Conducte de aer

Antete de abur

Rezervoarele și vase sub presiune

Rafinării de petrol și gaze și conducte

Producător de celuloză și hârtie

Beneficii

Reglabil pentru o gamă de diametre de țeavă de la 4in / 10cm la 24in / 61cm

Ușor configurabil pentru țeavă rotundă sau exploatarea de suprafață plană

Rezistent la apă la 30m

Poate penetra până la 183m

Dirijabil, în configurația paralelă în 15cm și țevi mai mari

Opțiunea magnetică disponibilă pentru operarea pe verticală

Portabil de cântărire numai 9 kg

c)

d)

e) f)

Fig. 2.3. Roboți pe șenile folosiți în inspecția țevilor

Integrarea roboților mobili în medii industriale

Roboții care cooperează realizează activități în domeniul industrial cum ar fi: monitorizarea producției și a fluxului tehnologic, asamblarea- dezasamblarea unor produse sau componente ale acestora, transportul obiectelor, a pieselor sau a altor dispositive, executarea de sarcini în cadrul procesului tehnologic etc.

În figura urmatoare este prezentată schema general a unui system de cooperare a roboților industriali unde sunt evidentiate principalele blocuri componente și interacțiunile dintre acestea.

Fig. 2.3. Structura generală a unui sistem robot

Limbajele de programare pot fi denumite interfețe om-robot. Limbajul de programare reprezintă modalitatea de interacțiune de nivel inferior a operatorului cu robotul, permițând exploatarea funcțiilor robotului. Interfețele de programare nu sunt dezvoltate pentru a putea fi folosite de utilizatori obișnuiți, ci doar de către programatori cu pregătire specifică, ce dezvoltă interfețe de nivel înalt.

Cea mai folosită metodă de programare a roboților, se realizează prin intermediul unui limbaj de programare specific folosind interfețele cu utilizatorul[7].

Mediul industrial este definit ca fiind locația caracterizată în principal printr-un ansamblu de activități de transport, de manipulare și de procesare de materiale, având ca rezultat anumite tipuri de produse și/sau dezvoltarea anumitor procese tehnologice sau servicii. În mediile industriale numarul de roboți fie ei ficși sau mobili introduși în ultimii ani a crescut foarte mult, din dorința de a fi dezvoltate sisteme robotizate complet autonome[7].

Scopul proiectării, dezvoltării și implementării echipelor de roboți (ficși sau mobili) a constat în prima perioadă în marirea eficienței acțiunilor asupra mediilor tehnologice prin creșterea vitezei și a preciziei de execuție și în înlocuirea într-un numar cât mai mare a operatorilor umani care lucreaza în astfel de medii care frecvent pot fi periculoase, austere și nu în ultimul rând extrem de nocive[7].

Fig. 2.4. Tractor șenilat Lamborghini model CV80M E3, 82 CP folosit în agricultură

Fig. 2.5. Vehicul șenilat Prinoth folosit in sectorul minier și condtrucții

CAPITOLUL 3 – STRUCTURA ROBOȚILOR MOBILI

Structura roboților mobili corespunde arhitecturii generale a roboților, având două părți:

• Structura mecanică, respectiv manipulatorul, care determină performanțele tehnice;

• Structura electronică, respectiv de comandă-control, care condiționează calitatea performanțelor.

Indiferent de vechimea robotului, probleme complexe apar la realizarea structurii mecanice de volum, greutate și costuri mici, la transmiterea mișcării și adaptarea la structura mecanică a motoarelor electrice și hidraulice, la proiectarea mâinilor mecanice pentru a apuca obiecte de diferite forme. În ce privește structura electronică, posibilitățile actuale permit folosirea a câte unui microprocesor pentru comanda fiecărui grad de mobilitate, precum și a altor microprocesoare specializate pentru tratarea semnalului senzorial. Robotul mobil inter-acționează cu mediul înconjurător prin structura sa mecanică, asigurând astfel deplasarea, poziționarea și orientarea organului de execuție.

Structura mecanică a roboților mobili este formată din:

• sistemul de locomoție (pe șenile sau roți), prin care se asigură deplasarea robotului pe o suprafață de lucru (în cadrul unei autonomii sporite);

• sistemul de manipulare, care asigură poziționarea și orientarea organului de lucru.

Structura unui robot este, de fapt, un sistem compus din mai multe subsisteme. Sistemul 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, astfel 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 arată care subsisteme sunt în legătură). Robotul este un sistem de rangul 1, și se aseamănă, constructiv, cu sistemul unui om, la fel si subsistemele robotului[10].

Mai jos se prezintă schema bloc a structuri unui robot:

Fig. 3.1. Schema bloc a structurii unui robot[10].

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

Sistemul mecanc 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.). Traductorii și senzori au rolul organelor de simț.

Platformele mobile au rolul de a realiza deplasarea roboților mobili și fac 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 [10].

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 directese găsesc 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[10].

3.1. Sistemul mecanic al robotului

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 realizat din multe elemente legate între ele prin cuple cinematice. Sistemul de acționare ajută 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 de a realiza mișcările acestuia și transmiterea energiei mecanice necesare interacțiunii cu mediul. Deci, are sarcina de a deplasa un obiect. Partea din sistemul mecanic care realizează această deplasare se numește dispozitiv de ghidare sau manipulator.

Înțelegem 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. Astfel, 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.

3.2. Structura sistemului mecanic al unui robot

În schema de mai jos este reprezentată structura sistemului mecanic

Fig.3.2. Structura sistemului mecanic al unui robot

Situarea, adică poziția – orientarea, unui corp în spațiul tridimensional este definită cu ajutorul poziției punctului caracteristic, și orientărilor dreptei caracteristice, respectiv a dreptei auxiliare. Punctul caracteristic și dreapta caracteristică / auxiliară la un obiect cilindric se reprezintă astfel:

Fig.3.3. Orientarea unui corp în spațiul tridimensional

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 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.

3.3. Construcția modulară a roboților

Construcția modulară este caracterizată prin:

Structură sistematică care este compusă dintr-un grup de sisteme și dispozitive care formează cuple cinematice conducătoare. Structura sistemică prezintă avantajul că furnizează informațiile necesare pentru analiza cinematică și dinamică a sistemelor de acționare și mecanic ale robotului. Ea prezintă dezavantajul, că nu reflectă decât parțial funcțiile sistemelor de rang inferior robotului și particularitățile constructive ale acestora.

Structura funcțional-constructivă sau structură modulară este cu dispozitive de ghidare cu topologie serială pentru a evidenția proprietățile funcționale și constructive ale roboților (modul de robot).

Modul al unui robot, este un subansamblu care este corelat cu una sau mai multe cuple cinematice ale dispozitivului de ghidare și cu efectorul final.

Modulul de robot corelat cu cupla cinematică conducătoare are părțile "fixe" ale sistemului de acționare aferent cuplei cinematice conducătoare și traductoarelor / senzorilor, solidarizate cu structura de rezistență a unuia dintre elemente (i sau i+1). Legătura dintre două module vecine se realizează prin intermediul structurii de rezistență a elementului i. În acest mod, întregul robot cu dispozitivul de ghidare în topologie serială este de fapt constituit din "legarea în serie" a unui număr de module.

Modulul de robot corelat cu o singură cuplă cinematică poartă o denumire care este definită după funcția lui în cadrul robotului. În acest caz, există module de:

translații de bază; de pivotare de bază;

de ridicare a brațului; de basculare a brațului;

de extensie a brațului; de pronație – supinație;

de flexie – extensie; de aducție – abducție.

Ele sunt reprezentabile schematic după normele ISO. Modulul de orientare al unui robot se corelează cu toate cuplele cinematice ale mecanismului de orientare, conținând de atâtea ori componentele enumerate pentru modulul corelat cu o singură cuplă cinematică conducătoare, câte cuple cinematice conducătoare are mecanismul de orientare.

În figura de mai jos se prezintă corelația dintre structura sistemică și cea modulară (funcțional – constructivă) a unui robot având un dispozitiv de ghidare serial cu M = 3.

În care:

T/S – Traductoare/Senzori;

SSA – Subsistem de acționare;

CCC – Cuplă cinematică conducătoare;

A/B/C – Modulul;

EF – Efector final;

ELi Elementul i (i = 0, 1, 2, 3)

3.4. Sistemul de locomoție cu șenile

3.4.1. Istoria robotilor militari pe șenile

Robotul militar pe șenile este un aparat automat al cărui program conține un sistem complex cu legături inverse (cu reacție) stabilite la anumite excitații exterioare și care, este capabil de o serie de acțiuni dirijate folositi in scopuri militare. Robotii militari teresti au fost folositi în al Doilea Razboi Mondial pentru spionaj, detectarea minelor terestre si pentru lupta. Mecanica folosita la robotii militari terestri din acele vremuri se poate regasi și în structura roboțiilor militari din zilele noastre[6].

De departe, in realizarea unor asemenea vehicule telecomandate se remarca Germania celui de-al III-lea Reich. Realizarile germane au fost extrem de mari, chiar daca acestia s-au inspirat din cele franceze si sovietice. Asta nu inseamnă totuși ca n-au avut partea lor de originalitate și inventivitate. Cel mai cunoscut proiect german a fost Leichter Ladungstrager Goliath, cunoscut in evidențele militare germane drept Sd.Kfz.302, fiind realizat în mai multe variante constructive și în numar mare, fiind folosit în luptă. Era destinat distrugerii blindatelor inamice, a fortificațiilor si tranșeelor, plasei de sârmă, fiind considerat pe bună dreptate, o bomba cu telecomandă, un mini-tanc distrugător[6].

Goliath, a inceput sa fie dezvoltat incepand cu sfarsitul anului 1940, avand la baza prototipul francezKegresse recuperat din Sena, de catre firma Borgward Auto din Bremen. Concret, acestei firme i s-a cerut dezvoltarea unui vehicul similar, care sa fie capabil sa transporte 50 kg de explozibil si care sa poata fi telecomandat printr-un joystick atasat la o cutie de comanda portabila[6].

1.Fir-640m

2.Rezervorul pentru combustibil

avand o capacitate de 6 l de benzina

3.Motor cu 2 cilindi cu combustie

interna in 2 timpi, 703 cm³

4.Ventilator de racire a motorului

5.Camera de transport incarcatura

Fig.3.5. Robot pe șenile Goliath

Minenraumpanzer III

Firma Krupp, a dezvoltat o variantă deosebită de tanc deminor pe șasiul de Panzer III, in luna iulie 1944. A fost un prototip interesant, numit Minenraumpanzer III, fiind destinat distrugerii minelor prin trecerea blindatului peste acestea, putând fi totuși echipat la partea frontală cu un set de role. Deși era pe șasiu de Panzer III, Minenraumpanzer avea suspensia, iar partea de dedesubt a șasiului era consolidată și blindată substantial[6].

Fig. 3.6. Șasiu robot Minenraumpanzer III

b)

d)

f)

e)

Fig.3.7. Roboți pe șenile

3.4.2. Componența sistemului de deplasare pe șenile

În general, sistemul de deplasare cu șenile (fig. 3.8) are în componență:

roată motoare I;

roată de întindere II;

două sau mai multe roți purtătoare III;

una sau două roți de susținere IV a șenilei V;

șenila V, realizată ca un lanț articulat plan.

Fig. 3.8. Sistemul de locomoție cu șenile

Roata motoare I este o roată dințată conducătoare care angrenează cu lanțul articulat ce formează șenila V.

Roata dințată II asigură ghidarea și întinderea șenilei.

Roțile purtătoare III realizează punctele de sprijin și de rulare ale robotului mobil; aceste puncte se obțin pe ramura inferioară a lanțului șenilei care ce formează ramura întinsă care vine în contact cu suprafața terenului. Numărul roților purtătoare este funcție de greutatea robotului și de sarcina pe care acesta o ridică sau o transportă.

Roțile de susținere IV formează puncte de susținere a ramurii superioare a șenilei, care este ramura slăbită, liberă a șenilei.

Șenila V este compusă din mai multe eclise de cauciuc, cu armătură metalică, montate articulat cu bolțuri pentru realizarea lungimii totale necesare. Pentru a obține aderența la sol, șenila este prevăzută la partea exterioară cu proeminențe în X, iar pe partea interioară sunt prezenți dinți pentru angrenarea cu roata motoare. Indiferent de construcție, șenila formează o cale de rulare fără sfârșit, prin care se obține propulsia robotului, se asigură aderența acestuia cu solul și se obține o presiune specifică pe sol mult mai mică decât în cazul altor soluții. Acționarea roții motoare se face cu un motor electric de curent continuu, alimentat de la baterii de acumulatoare sau de la un grup electrogen cu putere corespunzătoare[10].

Reductorul folosit este de tip armonic (cu deformator și roată dințată elastică) și este prevăzut cu cuplaj ireversibil, prin care se asigură frânarea vehiculului robot la opririle în pantă. Sistemul de locomoție cu șenile permite deplasarea robotului înainte și-napoi, efectuarea virajelor la stânga și dreapta, precum și o rotație în plan orizontal. De asemenea, șenila permite robotului mobil să urce și să coboare pe scări cu pante până la 450 [10].

a)

b)

Fig. 3.9. Sisteme de locomoție pe șenile

CAPITOLUL 4. TRANSMISIA

Transmisia reprezintă totalitatea mecanismelor prin care se transmite mișcare la organele de deplasare a vehiculului pe șenile.

4.1. Clasificarea transmisiilor

După modul de transmitere a mișcării de la motor la organele de deplasare ale vehiculului.

Transmisii mecanice

Transmisii hidraulice

Transmisii electrice

Transmisii combinate (care îmbină elemente mecanice și elemente hidraulice)

După modul de variație a vitezei pot fi

Transmisii în trepte

Transmisii fară trepte

Transmisii mecanice în trepte sunt cele mai răspândite datorită simplității constructive și a siguranței în funcționare. În funcție de organele de deplasare ale vehiculului, transmisiile mecanice diferă între ele din punct de vedere al părților componente.

Fig. 4.1. Schema transmisiei mecanice pentru un vehicul cu șenile

În care,

MT – motor termic

AP – ambreiaj principal

CV – cutie viteze

RP – reductor planetar

TC – transmisie centrală

AL – ambreiaj lateral

TF – transmisie finală

SM – steaua motoare

Ambtreajele laterale permit conducerea vehiculului prin transmiterea de viteze diferite la cele două șenile, de aceea se mai numesc și ambreiaje de direcție.

Transmisiile hidraulice transmit puterea prin intermediul unui flux de lichid, de regulă ulei hidraulic. Ele sunt transmisii fără trepte. Transmisia hidraulică a vehiculului pe șenile are in vedere eliminarea din schema constructivă a unor părti mecanice ( transmisia centrală, diferențial, reductor planetar, cutie de viteze). Acest tip de transmisie cuprinde doua pompe hidraulice cu debit reglabil și două motoare hidraulice. Prin modificarea debitului și presiunii lichidului între pompa hidraulică și motorul hidraulic se pot obține turații diferite ale stelelor motrice ale șenilelor.

Fig. 4.2. Schema transmisiei hidraulice a vehiculului pe șenile

În care:

M – motor termic

P – pompă hidraulică cu debit variabil

M.H. – motor hidraulic

S.M. – steaua motrică a șenilei

Avantajele transmisiei hidraulice:

Viteza de lucru variază continuu de la o valoare maximă atât înainte cât și înapoi

Simplifică comenzile vehiculului

Asigură posibilități sporite de automatizare a procesului de lucru

Dezavantaje utilizării transmisiilor hidraulice sunt:

Preț de cost mare datorat prelucrărilor de mare precizie și a materialelor speciale

Pe timp rece este necesară încălzirea uleiului

Randamentul transmisiei scade odata cu încălzirea uleiului

Randamentul total al transmisiei este mai scăzut datorită transformărilor intermediare

Transmisiile electrice sunt formate din următoarele părți componente: ambreaj principal, motoare electrice (două sau patru in funcție de numărul de punți motrice), generator electric, transmisii finale și conductori electrici.

Generatorul electric transformă energia mecanică primită de la arborele motorului termic în energie electrică. Motorul electric transformă energia electrică primită de la generatorul electric, în energie mecanică.

Avantajele utilizării transmisiilor electrice sunt, în general, aceleași cu cele ale transmisiilor hidraulice.

Dezavantajele transmisiilor electrice sunt asemanatoare cu cele menționate la cele hidraulice, în plus există riscul electrocutării.

4.2. Mecanica șenilelor

Șenilele sunt folosite la deplasarea macaralelor rotitoare grele. Ele sunt realizate din zale turnate, asamblate articulat cu ajutorul bolțurilor, acestea formând un lanț fără sfarsit. Antrenarea șenilelor se realizează prin roți stelate. Pentru buna lor funcționare, șenilele sunt prevazute cu dispozitive de întindere. Încărcarea se transmite șenilelor prin intermediul rolelor de sprijin.

Fig. 4.3. Șenilă de macara rotitoare

Din cauza dimensiunilor mari ale șenilelor, presiunea transmisă solului este relativ redusă, astfel încat macaralele pe șenile se pot deplasa și pe terenuri slabe. Din cauza forței mari de aderență între șenile și sol, macaralele pe șenile se pot deplasa pe terenuri cu denivelări relativ mari. Zalele șenilelor sunt solicitate la încovoiere. Pentru calcul, acestea se consideră rezemate pe contur și incărcate central prin rola de sprijin.

Bolțurile de articulație se calculeaza la încovoiere și forfecare, în ipoteza că intregul moment de torsiune al motorului se transmite unei singure șenile. Rolele de sprijin se calculează la încarcarea verticală și la forțele laterale, care apar la rotirea macaralei.

Șenila este o bandă metalică continuă de rulare a unor vehicule, constituită din plăci metalice articulateîntre ele, înfășurată peste roțile vehiculului situate pe aceeași parte, pentru a se obține o suprafață mai largă de contact cu terenul și o tracțiune mai mare decât a roților obișnuite în timpul deplasării. Senilele functioneaza pe principiu transmisiei mecanice[6].

Transmisia mecanică este un ansamblu cinematic de elemente care au ca scop transmiterea miscarii de rotație cu sau fără transformarea acesteia, însoțită de transmiterea energiei mecanice, deci a forțelor și a momentelor. Transmisiile mecanice transmit miscarea, momentul de torsiune, deci puterea de la arborele motor, care este arborele conducator, la cel condus[6].

Transmisiile mecanice pot fi:

a) Directe (caracterizate prin distanța mică între axa geometrică a arborelui conducător și cea a arborelui condus (elementele între care se transmite mișcarea sunt apropiate).

cu roți de fricțiune;

cu came;

cu roți dințate;

cu șurub – piuliță.

Fig. 4.4. Transmisii mecanice directe

b) Indirecte sunt caracterizate prin distanța mai mare între axele elementelor care transmit mișcarea și sunt transmisii cu: curele, lanțuri, pârghii.

Fig. 4.5. Tipuri de transmisii mecanice indirecte

Transmiterea mișcării se face cu un raport de transmitere (i), care este raportul dintre viteza elementului conducator si cea a elementului condus.

Roboții tereștri militari folosesc tracțiunea indirectă cu lanț. Schema de lucru fiind prezentată mai jos.

Fig.4.6 . Schema robotului terestru militar

1-roata motoare spate, 2-șenila, 3-role sustinere, 4-roata motoare fată,

5-role de sprijinire, 6-role de intindere.

Avantajele transmisiilor prin lanț sunt: posibilitatea folosirii într-un domeniu larg de distanțe între axe; posibilitatea transmiterii unor momente de torsiune mari; realizarea unor rapoarte de transmitere medii constante; randament ridicat (η = 0,96…0,98); încărcări relativ reduse pe arbori; posibilitatea înlocuirii ușoare a lanțului; posibilitatea transmiterii mișcării la mai mulți arbori conduși; posibilitatea funcționării în condiții grele de exploatare (praf, umiditate, temperature ridicate)[6].

Dezavantajele transmisiilor prin lanț sunt:

Neuniformitatea mișcării roții (roților) conduse – ca urmare a înfășurării lanțului pe roțile de lanț după un contur poligonal – care produce sarcini dinamice suplimentare, vibrații și zgomot în funcționare; uzura inevitabilă în articulații, care duce la mărirea pasului, impunându-se folosirea dispozitivelor deîntindere; necesită o precizie mai ridicată de montare și o întreținere pretențioasă, comparativ cu transmisiile prin curele.

Transmisiile prin lanț se utilizează când se impun distanțe medii între axe, care nu se pot realiza prin angrenaje și când nu este permisă alunecarea, situație în care nu pot fi folosite transmisiile prin curele. Se folosesc în construcția mașinilor agricole, de transport (biciclete, motorete, motociclete) și la unele utilaje (în siderurgie, în construcții etc[6].

Fig. 4.7. Transmisia prin lanț

CAPITOLUL 5. SCHEMELE CINEMATICE ALE ROBOȚILOR MOBILI

5.1. Șasiul robot

Se analizează schema cinematica a unui robot mobil pe șenile (fig. 5.1.a), asistat de un manipulator plan tip RRT, cu acționare electro–hidraulică; acesta este utilizat pentru manipularea și neutralizarea munițiilor ne-explodate.

Manipulatorul-robot este montat pe șasiul cu șenile și realizează față de acesta mișcări plan-paralele în plan vertical. Rotația de pivotare în plan orizontal se obține cu ajutorul sistemului de virare al șasiului pe șenile. Fiecare șenilă este acționată de un motor electric de curent continuu cu rotor disc, prin intermediul unui reductor armonic. Rotirea vehiculului-robot în ambele sensuri, fără nici o deplasare liniară, se obține prin rotația inversă a motoarelor electrice de acționare a celor două șenile din stânga și dreapta. [1]

Fig. 5.1.a Schema cinematică robot mobil pe șenile Fig. 5.1.b Robot mobil pe șenile

Dintre roboții mobili, cei care se deplasează pe șenile sunt folosiți tot mai mult pentru executarea unor lucrări speciale, cu grad mare de pericol pentru operatorul uman, dintre care se menționează: manipularea și neutralizarea munițiilor neexplodate; executarea unor culoare prin câmpurile de mine; cercetarea autovehiculelor, trenurilor, aeronavelor și a clădirilor, urmată de neutralizarea dispozitivelor explozive descoperite în aceste vehicule. [1]

Pentru executarea unor astfel de operații, roboții mobili sunt echipați cu dispozitive speciale ca: aruncător de flăcări, detectoare de explozivi, disruptoare, clești etc. Brațul acestor roboți mobili este un manipulator spațial de tip RRT sau RRR, cu trei grade de mobilitate (libertate), utilizat ca mecanism de poziționare și generator de traiectorie. Roboții mobili sunt comandați de la distanță (prin unde radio sau prin cablu), sistemele de acționare ale brațului manipulator fiind de tip electro-hidraulic sau electric, cu motoare hidraulice liniare sau motoare electrice rotative. Montate la capătul ultimului braț al manipulatorului – robot, aceste echipamente de lucru pot fi: detector de metale sau explozivi la adâncime, dispozitiv de prehensiune tip clește, instalație de control prin radiografiere, disruptoare de diferite categorii.

Roboții mobili cu sistem de locomoție cu șenile sunt realizați într-o gamă foarte variată de dimensiuni și greutăți, având diferite grade de mobilitate, în funcție de complexitatea operațiilor pe care trebuie să le efectueze, cu diferite viteze de deplasare.[1]

Fig. 5.2.a. Robot mobil pe șenile Fig. 5.2.b. Schema cinematică a robotului mobil pe șenile

Schema cinematică a acestui robot mobil pe șenile evidențiază lanțul cinematic plan trimobil tip RRT (fig.5.2.b. ) format din brațele articulate 1 și 2 și tija 3 care transleaza față de brațul 2.

Bascularea brațelor 1 și 2 în plan vertical se face cu ajutorul cilindrilor hidraulici a1 respectiv a2, iar mișcarea de translație a tijei 3, impreună cu dipozitivul special 4, se execută cu ajutorul unui motor electric și a unei transmisii cu șurub cu bile. Mecanismul de orientare 4 permite o singură mișcare de rotație in plan vertical, prin care de asigură orientarea cartușelor de tragere spre mecanismul de percuție al muniției în vederea neutralizării.[1]

În cazul roboților având dispozitive de ghidare cu topologie paralelă sau mixtă, un modul al structurii funcțional – constructive este constituit din două platforme legate între ele prin conexiuni .în figura de mai jos se prezintă un modul de orientare cu două grade de libertate acționat electric, având pe axa de supinație o transmisie armonică. [1]

Structura funcțional – constructivă cu module tipizate a roboților constituie o dezvoltate mai departe a concepției constructive cu module tipice ale acestora.

Prin modul tipizat al unui robot se înțelege un modul din cadrul unei structuri constructiv – funcționale, care constituie un subansamblu de sine stătător, interschimbabil cu alte module, făcând parte dintr-o serie de module tipizate și care poate fi asamblat cu alte module tipizate, în conformitate cu cerințele utilizatorului.[1]

În următoarea figură se prezintă module tipizate din cadrul unor structuri funcțional-constructive de robot constituit din module. Ele pot fi asamblate în structuri diferite într-o concepție "baukasten", formând o familie de roboți compuși din module tipizate.[1]

Fig. 5.3. Module tipizate din cadrul unei structuri robot

În care:

1 – Modul de translație de bază

2 – Batiu

3 – Modul de ridicare braț

4 – Modul de rotație de bază

5 – Modul de basculare braț

6, 7 – Module de extensie braț

8, 9 – Module de orientare

10 – Robot cu mecanism generator de TTT, obținut prin combinarea modulelor 1+3+7

11 – Robot cu mecanism generator de traiectorie TRRT, obținut prin combinarea modulelor 1+4+5+6

12 – Robot RTT obținut din modulele 4+3+7

Modele șasiu robot pe șenile

a) b)

c) d)

Fig. 5.4. Șasiu robot pe șenile

Fig. 5.5. Kit Șasiu de Robot pentru Arduino Zumo (fara Motoare)

5.2. Determinarea funcțiilor de poziție la MP tip RRT

În cazul MP tip RRT (fig. 5.6) funcțiile de poziție sînt:

(5.1)

Se rezolvă sistemul de ecuații în cazul particular cînd a1 = 0. În această situație se obține, din raportul primelor două ecuații:

(5.2)

Dacă primele două ecuații se ridică la pătrat și se adună se deduce:

(5.3)

Din ecuația (5.3) și ultima ecuație din sistemul de ecuații se elimină s3 și rezultă ecuația trigonometrică:

(5.4)

a cărei soluție este:

(5.5)

Deplasarea liniară s32 se obține din același sistem format din a treia ecuație din sistemul de ecuații și ecuația (5.3) din care se elimină unghiul f2 și rezultă:

(5.6)

Fig. 5.6. Determinarea funcțiilor de poziție la MP tip RRT [1]

5.3. Cinematica inversa. Calculul funcțiilor de poziție la MPz tip RRT

Funcțiile de poziție ale Lcs tip RRT sunt (fig. 5.7):

(5.7)

Fig. 5.7. Funcțiile de poziție ale Lcs tip RRT [1]

Cunoscând coordonatele punctului P, sistemul de ecuații se scrie sub forma

(5.8)

În cazul particular când , sistemul (9.11) se poate rezolva ușor, astfel din primele două ecuații se obține unghiul

(5.9)

În continuare se elimină unghiul din primele două ecuații din (9.11), obținându-se relația dintre parametrii și de forma

(5.10)

Din ecuația (9.13) și ultima ecuație a sistemului (9.11) se elimină parametrul , obținându-se ecuația trigonometrică de forma

(5.11)

a cărei soluție se calculează cu una din formulele:

(5.12)

sau

(5.13)

Al treilea parametru variabil, deplasarea liniară , se calculează cu formula

(5.14)

5.5. Cinematica transmisiilor prin lanț

Ca urmare a înfășurării poligonale a lanțului, viteza acestuia este variabilă . Durata angrenării unei zale se consideră din momentul în care dintele roții conducătoare ia contact în punctul A1 , cu articulația lan țului și p ănă în momentul în care articulația următoare intră în contact cu dintele următor , în același punct (fig.5.8)

Fig.5.8. Cinematica transmisiilor prin lanț

Într-o poziție unghiulară oarecare (A1X ) , când articulația conducătoare este rotită în raport cu direcția O1A10 ( perpendiculară pe direcția ramurii conducătoare a lanțului ) cu unghiul de pozitie α1 , viteza lanțului ,după direcția ramurii

( longitudinale ) vl , are următoarele valori :

unde ω1 este viteza unghiulară constantă a roții 1 , iar ω2 este viteza unghiulară a roții conduse . Viteza lanțului după direcția normală pe ramura roții este:

vn1 = v1 sin α1 = Rd1 ω1 sin α1

vn2 = v2 sin α2 = Rd2 ω2 sin α2

Componenta vn va genera vibrații transversale ale ramurii conducătoare a

transmisiei. Raportul de transmitere instantaneu ( efectiv) este:

5.6. Prezentarea produsului prototip “ Robot mobil pentru construcții cu 7 grade de mobilitate „ – RMUC 7

Robotul mobil pentru construcții cu 7 grade de libertate – RMUC 7 este destinat executării unor operații complexe în activitațile de zidărie, montaj și finisaj exterior și interior din domeniul construcțiilor.

Operațiile pe care le poate executa robotul sunt foarte variate începând de la cele mai simple (executat găuri în zid, montat dibluri, vopsit și zugrăvit pereți, etc.) pâna la operatii complexe (manipulat sau montat panouri, torcretat, driscuit, sudat sau zidit) acoperind practic gama de operații pe care le efectuează omul.

Robotul de construcții are în componență:

șasiul asamblat (șasiu, calaje, mecanism deplasare, mecanism direcție, mecanism rotire platforma)

platforma rotitoare cu brațul robot (mecanism de orientare – axa I si II, mecanismul de poziționare – axa III si IV)

echipamentul de lucru

sistemul centralizat de conducere automată.

Platforma vehiculului mobil  este formată din șasiul propiu-zis (construcție metalică) pe care sunt montate mecanismele aferente funcțiilor ce revin acestui subansamblu:

mecanismul de calare constituit din  brațele suport calaje montate articulat la șasiu, impreună cu cele 4 calaje și motoarele de actionare a acestora;

mecanismul deplasare format din 4 roți cu pneuri din care două motoare și două conduse fixate la șasiu prin axe oscilante;

mecanismul direcție compus din grupul de acționare și mecanismul cu bare ce asigură bracarea simultana a roților;

mecanismul de rotire platformă format din sistemul de antrenare motor-reductor, rulmentul de sprijin si rotire si flansa de cuplare la platformă.

Platforma rotitoare cu brațul robot se montează prin intermediul unei flanșe de cuplare si asamblare cu șuruburi la șasiul robotului. Platforma rotitoare este o construcție metalică rigidă cu rolul de a susține brațul robot cu mecanismele aferente. Brațul robot este o structură mecanică din bare si cadre rigide construită astfel încat să asigure cinematica necesară funcționării robotului de construcții [9].

Mecanismele care acționeaza brațul robot corespunzator celor 4 + 1 grade de libertate aferente acestuia (rotire – axa I, orientare – axa II, poziționare verticală – axaIII, poziționare orizontală – axaIV  + rotire platformă – axaV ) sunt:

mecanismul de antrenare, constituit dintr-un ansamblu motor- reductor fixat într-un suport special pe care se montează dispozitivul de lucru (prindere elemente constructii/ sistem de vopsire suprafețe); permite rotirea in jurul axei I;

mecanismul orientare, format din două mecanisme cu bare situate de o parte și de alta a brațelor mecanismului de poziționare și un mecanism motor; asigură rotirea (orientarea) dispozitivului de lucru dupa axa II;

mecanismul de poziționare, este un mecanism cu bare care are rolul de a deplasa mecanismul de orientare și dispozitivul de lucru în diferite puncte ale zonei de lucru; depalsarea după verticală, respectiv orizontală a mecanismului de poziționare este asigurată de cate  un ansamblu sanie – ghidaj – mecanism cu lanț – motoreductor montate pe platforma rotitoare [9].

Echipamentul de lucru pentru aplicația de zidărie este reprezentat de un mecanism de prindere – manipulare sarcină utilă (gripper). Acesta este un dispozitiv mecanic format  dintr-un cadru fix  și o falcă mobilă care culisează pe niște ghidaje orizontale fiind acționat de un motor electric prin intermediul unui sistem șurub-piuliță.

Sistemul centralizat de conducere automată a robotului are urmatoarea structură:

unitate centrală de tip procesor matematic pentru planificarea de nivel inalt alternata a traiectoriilor platformei vehiculului mobil (șasiul asamblat), respectiv a platformei rotitoare cu brațul robot + dispozitivul de lucru aferent (efector terminal);

unitate centrală de tip procesor de consolă pentru realizarea functiilor de interfața operator-sistem robot (învatare robot, comanda manuală, afisare stare si parametri de regim de lucru);

controller de miscare multiprocesor DSP, FPGA configurat pentru:

3 axe de miscare (servomotor + traductor incremental de deplasare (encoder)) de deplasare si directie a platformei vehiculului mobil pe roti, si

5 axe in bucla inchisă pentru mișcarea de poziționare și orientare a brațului ambarcat, toate in regim de servocontrol: al pozitiei efectorului terminal (3 servomotoare + encodere ale articulatiilor bratului robot);al orientarii efectorului terminal (2 servomotoare + encodere ale articulatiilor incheieturii efectorului terminal – pitch, roll);

controller de mișcare multiprocesor DSP, FPGA configurat pentru 4 axe de servo control al inclinarii platformei vehiculului mobil față de orizontală (2 servomotoare + encodere ale mecanismului de aducere la orizontală).

10 plăci de amplificare/comandă motoare;

instalația electrică de acționare / comandă a robotului ( dulap cu circuite de forță, protecție, semnalizare și conectare ).

Componenta software pentru conducerea centralizată a robotului de construcții este o aplicație specializată dezvoltată pe baza programului Lab View 8.0.

Produsul se livrează conform regulilor de la robotii industruali, în dotatre standard – cu echipament de prindere/manipulare sarcină utilă (gripper) și doar cu programul sau programele de bază. Echipamentele de lucru destinate realizării aplicațiilor suplimentare sunt considerate ca parte componentă a aplicației specifice și se livrează o dată cu softul dedicat pentru aceasta, sau separat, la cerere pe bac).[9]

Caracteristici tehnico-functionale robot de constructii

Numar grade de libertate/ mecanism robot:

orientare dispozitiv de lucru – 2 grade (2 rotatii), realizate cu  mecanismele de antrenare si orientare robot;

poziționare si rotire braț robot – 3 grade (2 translatii si l rotatie), realizate cu  mecanismele de pozitionare si rotire robot;

deplasare si poziționare robot – 2 grade (2 translatii), realizate cu mecanismul de orientare după verticala locului (calajele) și mecanismul de direcție.[9]

Platforma rotitoare cu bratul robot:

raza de  acțiune: min. 1300mm / max. 2500mm;

înaltime maxima de lucru: 3500mm;

sarcina utilă maximă ( inclusiv dispozitivul de lucru): 60kg;

viteza maximă de deplasare a sarcinii: direcție verticală: 20m/min; direcție orizontală: 10m/min;

precizie masurare cursă mecanism poziționare braț robot: ± 10µm;

viteza maximă rotație mecanism orientare: 9 rpm –  axa I; 7,5 rpm –  axa II;

precizie masurare rotație pentru orientare echipament lucru: 2500 incrementi/ rotatie;

turația platformei rotitoare: 6 rot/min;

unghi de rotire platforma: 270°

repetabilitate ( abatere de la pozitia comandata): max. 3mm;[9]

Șasiul asamblat ( sistem deplasare și poziționare robot ):

numar calaje: 4;

distanța intre axele calajelor (in pozitie calat): 1980mm – transversal; 2100 / 2400mm – longitudinal;

cursa totală calaje: 150mm;

timp calare: 47 sec;

sistem deplasare: ampatament: 1500mm; ecartament: 780mm;

diametru roată:400mm.

sarcina maximă pe roată: 800daN;

viteza maximă de deplasare: 0,48m/s ( 1,75km/h)

unghi de bracare roti:  90° ( stinga fata de direcția inainte)

viteza avans mecanism acționare direcție: 7,5mm/s;[9].

Sistemul de conducere automată a robotului:

semnal de comandă analogic (tensiune/ curent): 4-20mA, ±10Vc.c. sau +10Vc.c.;

tensiune de alimentare echipamente: 3x400Vc.a.,(R, S, T, N si PE)

putere elemente de comutație statică: max. 2,2kW;

putere totală consumata in regim de functionare nominal: max 5kW;

control simultan a 12 axe de mișcare;

posibilitate memorare puncte de traiectorie pentru generarea mișcarilor complexe (integrare in controlul multi-axa la viteze inalte);

performanțe de reglare:

acuratețea de poziționare:  ± 1 impulsuri de poziție

parametrii de comandă:

domeniul de poziționare (absolut si relativ):  minim ± 200 impulsuri de pozitie

gama de viteze: de la 1 la  ± 18,000,000 impulsuri/s

reprezentare viteze digitale:  ±32,767:1 la ±1:32,767

gama erorii de urmarire: ±32,767 impulsuri de pozitie

masa totala robot: max. 1500kg;

putere instalata: 10kW [9].

Fig. 5.9. Schema constructivă a robotului de construcții

În care,

Mecanism antrenare (axa I)

Mecanism de orientare cu bare (axa II )

Braț robot (poziționare axa III și IV)

Mecanism de rotire (axa V )

Platforms rotitosre

Șasiu

Mecanism de direcție

Calaje

Mecanism de deplasare

Dulapul de acționare și comandă

Fig. 5.10. Prototipul robotului de construcții

In care,

Ansamblu general

Detaliu echipament de lucru

Dulap de automatizare

Sistem de conducere automată

CONCLUZII

Dezvoltarea roboticii din ultima vreme a condus la dezvoltarea unei adevarate industrii in domeniu, acestia fiind de o importantă deosebită în foarte multe domenii de activitate cum ar fi: industrie, militar, agricultură, transporturi, inspecție țevi, explorare mări și oceane, spațiu cosmic etc.

Robotii cu senile prevăzuți cu senzori și cameră de filmare sunt folosiți cu precădere în teatrele de razboi pentru a detecta muniția neexplodată și pentru a detecta anumite obstacole. Acestia sunt preferați pentru a se evita pierderile de vieți omenești.

Roboții cu șenile sunt dispositive care au stabilitate foarte bună la sol , pe teren accidentat dar și pentru accesul pe rampă.

BIBLIOGRAFIE

[ 1 ] ANTONESCU Păun , GÂLMEANU Constantin, ANTONESCU Ovidiu – Roboți mobili utilizați pentru manipularea și neutralizarea muniției neexplodate;

[ 2 ] ANTONESCU Păun, Sinteza manipulatoarelor, UPB, 1993;

[ 3 ] GÂLMEANU, C., Contribuții la sinteza roboților mobili cu 3 grade de mobilitate, Teză de doctorat, UPB., 2000;

[ 4 ] ȚÂRUESCU Radu, Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili – Teza de Doctorat . Universitatea „Transilvania” din Brașov, 2014;

[ 5 ] ***, Album cu principalele tipuri de tehnică militară din înzestrarea armatelor străine, MApN, 1984;

[ 6 ] Studenti: CIORBA Rares, IANCU Alexandru, anul I D, Conducator stiintific: Conf.dr.ing. Iulian TABARA, Sesiunea de Comunicări Științifice Studențești 2015 – Roboti terestrii militari, Universitatea POLITEHNICA din București, Facultatea de TRANSPORTURI;

[ 7 ] PANFIR Alina- Teza de doctorat – Sistem inteligent de cooperare a roboților mobili pășitori în medii industriale – Universitatea Transilvania Brasov, 2013

[ 8 ] ***, https://ro.wikipedia.org/wiki/Robot

[9]***,http://www.robotics.ucv.ro/flexform/aplicatii/m1/Grecu%20Daniela%20- %20ROBOTI%20MOBILI/

[ 10 ] ***, http://www.ramultimedia.ro/CEEX/CEEX10_11/CEEX_11_files/page0004.htm

[11] ***, http://www.qreferat.com/referate/mecanica/Roboti-Industriali724.php

[ 12] ***, http://www.paginaderusia.ro/wp-content/uploads/2016/01/platforma-M2.jpg